DE69317325T2

DE69317325T2 - Schaltbare Hochleistungsinduktivität und Antennenanpassgerät mit einer solchen Induktivität

Info

Publication number: DE69317325T2
Application number: DE69317325T
Authority: DE
Inventors: Guy Boulzaguet; Ivan Wolk
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1993-05-04
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2013-05-05
Also published as: EP0570256A1; EP0570256B1; US5412310A; FR2691308B1; CN1078834A; HRP930879A2; DE69317325D1; CA2095792A1; FR2691308A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf umschaltbare Induktivitäten für starke Ströme, d.h. für Ströme von einigen 10 oder gar 100 A. Die Erfindung wurde im Rahmen der Abstimmschaltungen für eine Antenne entwickelt.
Wenn eine Antenne für eine Aussendung verwendet wird, während der Frequenzsprünge durchgeführt werden, ist man versucht, eine selektive Antenne zu verwenden und ihre Abstimmung bei jedem Frequenzsprung zu verändern, um stets unter optimalen Bedingungen zu senden. Dies gilt beispielsweise für eine Aussendung mit der sogenannten MSK-Modulation (gemäß der im Englischen gebräuchlichen Bezeichnung Minimum Shift Keying), d.h. für eine Aussendung mit Frequenzsprungmodulation von einer Frequenz Fo-dF zu einer Frequenz Fo+dF und umgekehrt. Die Erfindung wurde übrigens ursprünglich für die Aussendung im MSK-Modus und mit Frequenzen von etwa 15 kHz bei einer Sendeleistung von einigen 100 kW konzipiert.
Unter solchen Betriebsbedingungen wurde versucht, die Abstimmung mit der Primärwicklung eines Transformators zu erreichen, deren Induktivität gesättigt werden kann und die durch Sättigung oder Nicht-Sättigung des Magnetkerns mithilfe einer Gleichstromquelle geregelt wurde, die an die Klem men der Sekundärwicklung angeschlossen war und im Rhythmus der MSK-Modulation gesteuert wurde. Leider werden bei einer solchen Realisierung Oberwellen erheblichen Pegels erzeugt, da die so erhaltene umschaltbare Induktivität in Arbeitspunkten betrieben wird, bei denen der ihr Wert nicht-linear abhängig vom Hochfrequenzstrom variiert. Es ist dann sehr schwer, diese Oberwellen auszufiltern.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen oder zumindest abzuschwächen.
Dies wird erreicht, indem ein statischer Transformator mit Luftwicklung, d.h. ohne Eisenkern verwendet wird, bei dem die Sekundärwicklung abwechselnd im Rhythmus der Frequenzsprünge offen oder kurzgeschlossen ist.
Insbesondere wird erfindungsgemäß eine umschaltbare Induktivität für starke Ströme mit einem Transformator vorgeschlagen, dessen Primärwicklung eine variable Induktivität bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator ein statischer Lufttransformator ist und daß zwischen die beiden Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators und einen Punkt festen Potentials ein Umschaltsystem eingefügt ist, das einen ersten und einen zweiten Unterbrecher vom Halbleitertyp mit einer Steuerelektrode vom Leit-/Sperrtyp, wobei die Unterbrecher in gleicher Weise zwischen den Punkt festen Potentials und die erste beziehungsweise zweite Klemme eingefügt sind, und zwei Dioden besitzt, die in gleicher Weise zwischen den Punkt festen Potentials und die erste beziehungsweise zweite Klemme eingefügt sind, wobei aus der Sicht des Punktes festen Potentials die Leitrichtung der Unterbrecher, wenn sie leitend gesteuert sind, die gleiche und die Leitrichtung der Dioden die gleiche ist und wobei aber die Leitrichtung für die Dioden der der Unterbrecher entgegengesetzt ist.
Die vorliegende Erfindung und weitere Merkmale werden nun anhand der beiliegenden zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Antenne und eine Antennenabstimmschaltung in einem vereinfachten Schaltbild, das sich sowohl auf den Stand der Technik als auch auf die Erfindung bezieht.
Figur 2 zeigt eine Antennen-Abstimmschaltung gemäß der Erfindung.
Figur 3 zeigt eine Sendestation mit einem Sender, einer Antennen-Abstimmschaltung gemäß Figur 2 und einer Antenne.
In den verschiedenen Figuren tragen entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen.
Figur 1 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Antenne und eine Antennen-Abstimmschaltung, die an eine Antennenzugangsklemme A angeschlossen ist. Das elektrische Ersatzschaltbild der Antenne enthält in Reihe zwischen der Klemme A und Masse einen Kondensator Ca, eine Induktivität La und einen Widerstand Ra.
Die Antennen-Abstimmschaltung gemäß Figur 1 enthält zwei Induktivitäten, nämlich eine erste Induktivität Ls zwischen der Klemme A und einer Eingangsklemme B und eine zweite Induktivität Lp zwischen der Klemme B und Masse. Die Klemme B ist für den Anschluß an den Ausgang eines Senders bestimmt. Diese Antennen-Abstimmschaltung ist gut bekannt. Sie soll einem an die Klemme B angeschlossenen Sender ein rein ohm'sche Impedanz bieten. Wenn diese Schaltung auf eine Frequenz Fo abgestimmt ist, wird die Gesamtheit aus der Abstimmschaltung und der Antenne bei der Frequenz Fo+dF (dF ist positiv) induktiv und bei der Frequenz Fo-dF kapazitiv. Unter diesen Bedingungen ist in der MSK-Modulation die Antenne nie abgestimmt, da die Sendefrequenzen Fo+dF und Fo- dF sind. Um eine Abstimmung auf diese Frequenzen Fo+dF und Fo-dF zu erreichen, führt man bekanntlich eine dynamische Steuerung der Induktivität Ls im Rhythmus der Frequenzsprünge durch, sodaß die Abstimmung stets realisiert ist. Wie weiter oben angegeben, wurden Induktivitäten mit dynamischer Steuerung mithilfe von Transformatoren konzipiert, deren Induktivität gesättigt werden kann, aber das Ergebnis ist wegen des hohen Anteils an erzeugten Oberwellen nicht zufriedenstellend.
Figur 2 zeigt das elektrische Schaltbild einer Antennen-Abstimmschaltung mit den Klemmen A und B, einer zwischen der Klemme B und Masse liegenden Induktivität Lp und einer zwischen den Klemmen A und B liegenden Induktivität wie im Fall der Figur 1. Diese Induktivität entspricht der Induktivität Ls aus Figur 1. Sie kann zwei unterschiedliche Werte annehmen und weist eine erste Induktivität Ls1, die zwischen die Klemmen A und B geschaltet ist, eine zweite Induktivität Lo, deren erstes Ende an der Klemme A liegt, einen statischen Lufttransformator T, dessen Primärwicklung eine Induktivität L1 bildet und mit einer ersten Klemme unmittelbar an die Klemme B und mit einer zweiten Klemme an die Klemme A über die Induktivität Lo angeschlossen ist, und ein Umschaltsystem auf, das zwischen die erste und die zweite Klemme der Sekundärwicklung des Transformators T und Masse geschaltet ist. Das Umschaltsystem enthält einen ersten und einen zweiten Unterbrecher K1 bzw. K2 vom Halbleitertyp mit einer Steuerelektrode zum Öffnen und Schließen sowie eine erste und eine zweite Diode D1 bzw. D2. In dem beschriebenen Beispiel sind die Unterbrecher sogenannte IGBT-Elemente gemäß dem im Englischen üblichen Begriff Isolated Gate Bipolar Transistor. Diese Transistoren sind in der Lage, starke Ströme mit einer sehr geringen Steuerspannung abzuschalten. Die Transistoren K1 und K2 sind mit ihren Kollektoren an das erste bzw. zweite Ende der Sekundärwicklung des Transformators T abgeschlossen, während ihre Emitter an Masse liegen. In gleicher Weise sind die Kathoden der Dioden D1 und D2 an das erste bzw. zweite Ende der Sekundärwicklung des Transformators T und ihre Anoden an Masse angeschlossen. So, wie das Umschaltsystem aufgebaut ist, ist die Sekundärwicklung des Transformators T ein offener Kreis, wenn die Transistoren K1 und K2 durch eine an ihre Gates G1 und G2 angelegte äußere Steuerung blockiert sind, da die Dioden in Sperrichtung vorgespannt und gesperrt sind. Wenn dagegen die Transistoren K1 und K2 durch die äußere Steuerung leitend gemacht sind, befindet sich die Sekundärwicklung des Transformators T im Kurzschluß. Der Strom fließt dann nämlich von K1 nach D2 in einer Halbwelle und von K2 nach D1 in der anderen Halbwelle.
Für den Betrieb bei der Frequenz Fo-dF ist also die Sekundärwicklung des Transformators ein offener Kreis, und die Induktivität Ls zwischen den Klemmen A und B wird dann durch die Parallelschaltung der Induktivität Ls1 und der Induktivitäten Lo und L1 in Reihe gebildet. Für den Betrieb bei der Frequenz Fo+dF liegt dagegen die Sekundärwicklung des Transformators T im Kurzschluß. Die Induktivität Ls zwischen den Klemmen A und B besteht dann aus einer Parallelschaltung der Induktivität Ls1 und der beiden in Reihe liegenden Induktivitäten Lo und (1-k²)L1, wobei k der Kopplungskoeffizient zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators T ist und weiter gilt k² = M²/L1 L2. Die Größe M bezeichnet die Kopplungsinduktivität zwischen den beiden Wicklungen und L1 und L2 sind die Induktivitäten der beiden Wicklungen.
Es sei bemerkt, daß die Primärwicklung des Transformators T unmittelbar zwischen den Klemmen A und B liegen könnte, aber in dem beschriebenen Beispiel wurde ein Stromteiler mithilfe der Induktivitäten Ls1, L1 und Lo zur Verringerung des Stroms im Umschaltsystem realisiert, wobei die Werte dieser Induktivitäten abhängig von den in den Transistoren und den Dioden zulässigen Maximalströmen und den beiden zwischen den Klemmen A und B zu erzielenden Induktivitätswerten festgelegt werden.
Die Schaltung gemäß Figur 2 kann somit als Antennen- Abstimmschaltung in einer Sendestation verwendet werden, die mit Frequenzsprüngen arbeitet. Es reicht hierfür, wenn das Öffnen und Schließen der Transistoren IGBT im Rhythmus der Frequenzsprünge gesteuert wird. Weiter ist zu bemerken, daß für eine durchzuführende Aussendung mittels einer größeren Anzahl unterschiedlicher Frequenzen als zwei lediglich mehrere umschaltbare Induktivitäten in Reihe geschaltet werden müssen, um die Antennen-Abstimmschaltung zu bilden, und die verschiedenen Umschaltsysteme abhängig von den Sendefrequenzen im Rhythmus der Frequenzsprünge gesteuert werden müssen.
Unter den Vorzügen des Umschaltsystems gemäß Figur 2 seien insbesondere die Linearität des Betriebs, die nicht vorhandenen Störsignale aufgrund der Umschaltung und die Übertragung des Spektrums ohne Verzerrung erwähnt.
Figur 3 zeigt die Schaltung aus Figur 2 im Rahmen einer Antennen-Abstimmschaltung zwischen einem Sender, der an die Klemme B angeschlossen ist, und einer Antenne, die wie in Figur 1 durch ihr elektrisches Ersatzschaltbild Ca, La und Ra dargestellt ist. Der Sender, der als Spannungsquelle V betrachtet werden kann und einen Innenwiderstand Re aufweist, besitzt im beschriebenen Beispiel am Ausgang einen Transformator Tr mit dem Übersetzungsverhältnis 2.
Die Schaltung gemäß Figur 3 wurde für einen Betrieb im MSK4-Modus für folgende Werte konzipiert:
Fo = 15,1 kHz; dF = 50 Hz;
V = 23,255 V (Spitze-Spitze);
Re = 40 Ω;
Lp = 154,92 µH;
Ls1 = 645,80 µH;
L1 = L2 = 397,06 µH;
M = 397,06 µH;
Lo = 2,825 mH;
Ca = 130 nF;
La = 168,36 nH;
Ra = 0,216 Ω;
Die im Nennbetrieb auftretenden Ströme sind:
62 A bzw. 31 A (Spitze-Spitze) in der Primär- bzw. Sekundärwicklung des Transformators Tr,
3200 A (Spitze-Spitze) in der Induktivität Lp,
3050 A (Spitze-Spitze) in der Antenne,
400 A (Spitze-Spitze) in den Unterbrechern K1 und K2.

Claims

1. Umschaltbare Induktivität für starke Ströme mit einem Transformator, dessen Primärwicklung eine variable Induktivität bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (T) ein statischer Lufttransformator ist und daß zwischen die beiden Klemmen der Sekundärwicklung (L2) des Transformators und einen Punkt festen Potentials ein Umschaltsystem (K1, K2, D1, D2) eingefügt ist, das einen ersten und einen zweiten Unterbrecher (K1, K2) vom Halbleitertyp mit einer Steuerelektrode vom Leit-/Sperrtyp, wobei die Unterbrecher in gleicher Weise zwischen den Punkt festen Potentials und die erste beziehungsweise zweite Klemme eingefügt sind, und zwei Dioden (D1, D2) besitzt, die in gleicher Weise zwischen den Punkt festen Potentials und die erste beziehungsweise zweite Klemme eingefügt sind, wobei aus der Sicht des Punktes festen Potentials die Leitrichtung der Unterbrecher, wenn sie leitend gesteuert sind, die gleiche und die Leitrichtung der Dioden die gleiche ist, wobei aber die Leitrichtung für die Dioden der der Unterbrecher entgegengesetzt ist.

2. Umschaltbare Induktivität nach Anspruch 1 mit zwei Zugangsklemmen (A, B), dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Induktivität eines gegebenen Werts (Ls1) besitzt und daß die beiden Zugangsklemmen über zwei Wege miteinander verbunden sind, von denen der eine die Primärwicklung (L1) des Transformators (T) und der andere die Induktivität (Ls1) des gegebenen Werts enthält.

3. Umschaltbare Induktivität nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecher (K1, K2) vom IGBT-Typ (Insulated Gate Bipolar Transistor) sind.

4. Antennen- Abstimmschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine umschaltbare Induktivität nach einem der vorstehenden Ansprüche enthält.