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Dokumentenidentifikation DE3827579A1 15.02.1990
Titel Senderanordnung
Anmelder Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Esprester, Ralf, Dr., 7909 Dornstadt, DE
DE-Anmeldedatum 13.08.1988
DE-Aktenzeichen 3827579
Offenlegungstag 15.02.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.1990
IPC-Hauptklasse H03F 3/24
IPC-Nebenklasse H03F 1/02   H04B 1/04   
Zusammenfassung Bei einer Senderanordnung mit einem transistorisierten Senderverstärker ergeben sich Kühlungsprobleme vor allem dann, wenn bei innerhalb eines zulässigen VSWR-Bereichs schwankender Lastimpedanz, z. B. durch Frequenzwechsel oder veränderte Umgebungsbedingungen, immer eine bestimmte Nennleistung abgegeben werden soll. Durch eine fortlaufende Messung der momentanen Lastimpedanz und Steuerung der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz kann die Verlustleistung über den gesamten zulässigen Impedanzbereich gleichmäßig gering gehalten werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Senderanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei Senderanordnungen mit transistorisierten Leistungsendverstärkern erweist sich mit zunehmender Nennleistung auch die stark anwachsende Verlustleistung der Leistungstransistoren als Problem, da zur Abführung der in Wärme umgesetzten Verlustleistung immer aufwendigere Kühlsysteme erforderlich werden. Besonders stark in Erscheinung tritt die Verlustleistung in Senderanordnungen, bei welchen der Senderverstärker auch noch mit fehlangepaßter Last innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Bereichs für das Stehwellenverhältnis (VSWR) zuverlässig funktionieren und eine geforderte Nennleistung an die Antenne abgeben soll. Die Lastimpedanz kann beispielsweise variieren durch Frequenzänderungen bei einem frequenzvariablen Sender. Vor allem können aber auch Umgebungsbedingungen wie z.B. eng benachbarte weitere Sendeantennen mit wechselnden Betriebszuständen auf Schiffen oder wechselnde Umgebung bei mobilen Sendern zu erheblichen Schwankungen der Lastimpedanz führen. Wird der Sender so ausgelegt, daß er bei der höchsten innerhalb des zugelassenen VSWR-Bereichs auftretenden Lastimpedanz noch die geforderte Nennleistung abgibt, so fällt bei innerhalb des zugelassenen VSWR- Bereichs minimalen Lastimpedanzwerten eine erheblich höhere Verlustleistung im Transistorverstärker an, was den erwähnten Kühlungsaufwand erforderlich macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Senderanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, welche aufgrund geringerer Verlustleistung wesentlich weniger Kühlaufwand erfordert.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Anordnung berücksichtigt unter Verwendung einfacher Mittel die wirklichen momentanen Lastbedingungen der Verstärkertransistoren und stellt die Versorgungsspannung des Verstärkers danach ein. Daraus resultiert ein im wesentlichen von der Lastimpedanz unabhängiger Wirkungsgrad und somit eine wesentliche vereinfachte Kühlung. Die Lastimpedanz ist unabhängig von der Ausgangsleistung, so daß keine gegenseitige Beeinflussung von Steuersignalgenerator einerseits und Amplitudenmodulation, Leistungsregelung oder dgl. andererseits erfolgt. Da Veränderungen der Lastimpedanz durch Umgebungswechsel (mobile Sender) nur langsam erfolgen und durch den i.a. geringen Wärmewiderstand zwischen Leistungstransistoren und Kühlkörpern kurzzeitig höhere Verlustleistungen zugelassen werden können, braucht die erfindungsgemäße Nachführung der Betriebsspannung nur mit relativ großer Zeitkonstante zu erfolgen. In der Regel sind Reaktionszeiten von <1 Sekunde ausreichend. Das Spektrum des Sendesignals wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht beeinträchtigt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildung noch weiter veranschaulicht.

Die skizzierte Senderanordnung zeigt einen Sender- Leistungsverstärker 3, der von einem Eingangssignal RFi angesteuert wird, dieses mit dem eingestellten Verstärkungsgrad verstärkt und ein Ausgangssignal RFa abgibt. Der Verstärker 3 ist vorzugsweise als Gegentaktverstärker aufgebaut. Das Ausgangssignal RFa des Verstärkers 3 liegt an der Primärseite des breitbandigen Übertragers 4, dessen Sekundärwicklung über ein Oberwellenfilter 7 und eine Richtkoppleranordnung 8 mit der Antenne 9 verbunden ist. Die mittels der Richtkoppleranordnung 8 ausgekoppelten Signale können in bekannter Weise zur Leistungsregelung des Senders herangezogen werden.

Die Stromversorgungseinrichtung 5, die vorzugsweise als Schaltnetzteil aufgebaut ist, stellt eine Versorgungsgleichspannung UB für den Verstärker 3 bereit.

Gemäß der Erfindung sind Mittel 1 zur Messung des vom Verstärker 3 aus der Stromversorgung 5 aufgenommenen Betriebs-Gleichstroms IB und Mittel 2 zur Messung der Amplitude der Wechselspannung UW im Ausgangssignal RFa des Verstärkers 3 vorhanden, die stromproportionale bzw. wechselspannungsamplitudenproportionle Meßsignale i bzw. u abgeben. Im Steuersignalgenerator 6 wird aus den Meßsignalen, die eine Aussage über die momentane Lastimpedanz Z am Ausgang des Verstärkers 3 ermöglichen, ein Steuersignal St für die Beeinflussung der Versorgungsspannung UB erzeugt und der Stromversorgungseinrichtung 5 zugeführt. Vorzugsweise wird im Steuersignalgenerator 6 das Strom- Meßsignal i um einen für den Ruhestrom des Verstärkers 3 vorbekannten Wert auf einen korrigierten Meßwert i&min; reduziert und das Quotientensignal u/i&min; gebildet, das dann weitgehend unabhängig von der Aussteuerung und der Ausgangsleistung ein Maß für die momentane Fehlanpassung der Last, wie der Verstärker sie sieht, ist. Die Beeinflussung der Versorgungsspannung UB erfolgt vorteilhafterweise in der Art, daß das Quotientensignal u/i&min; (evtl. additiv zu einem Grundspannungswert) zur Bildung einer extern angelegten Referenzspannung für die Stromversorgungseinrichtung 5 herangezogen wird. Bei hoher Lastimpedanz und damit hohem Quotientensignal wird eine höhere Referenzspannung erzeugt und damit eine höhere Versorgungsspannung UB abgegeben als bei geringer Lastimpedanz und damit niedrigem Quotientensignal.

Die Bildung des Quotientensignals ist z.B. auf einfache Weise möglich mit analogen Schaltungskomponenten nach dem Prinzip von Operationsverstärkern, welchen mittels Rückkopplung über Transistoren eine exponentielle bzw. logarithmische Kennlinie aufgeprägt ist. Die Meßsignale u und i (bzw. i&min;) werden in ersten Stufen logarithmiert, danach subtrahiert und das Differenzsignal wird exponentiell verstärkt.

Es kann aber auch im Steuersignalgenerator eine Zuordnungseinrichtung vorgesehen sein, die zu beliebigem Wertepaar u und i jeweils ein optimales Steuersignal St festlegt, was inbesondere bei digitalem Aufbau des Steuersignalgenerators mit einem durch Digitalwerte von u und i adressierten Lesespeicher von Vorteil ist.

Die Stromversorgungseinrichtung ist vorzugsweise als Schaltnetzteil aufgebaut. Die Schaltzyklen gebräuchlicher Schaltnetzteile liegen im Bereich 10-5S bis 10-4S, so daß selbst bei nur in seltenen Ausnahmefällen erforderlichen kurzen Reaktionszeiten von größenordnungsmäßig 50 ms, erst recht nicht bei größeren Zeitkonstanten bei der Bildung des Steuersignals mit Störungen der Spannungsstabilisierung zu rechnen ist.

Zur Verdeutlichung des durch die Erfindung erzielbaren Vorteils hinsichtlich der abzuführenden Verlustleistung sei im folgenden als Beispiel ein Linearverstärker bei einer zulässigen Fehlanpassung entsprechend einem VSWR- Wert von 1,5 angenommen. Als Nennlast sei die reelle Impedanz Zo, als maximale Leistung, die im gesamten Impedanzbereich um Zo innerhalb VSWR ≤1,5 zu erbringen ist, die Nennleistung PRF angenommen. Die Verlustleistung ist mit PV bezeichnet.

Für den idealen Linearverstärker ist bekanntermaßen die Verlustleistung



Bei konstanter, nicht nachgeführter Betriebsspannung UB ergibt sich der Mindestwert für UB aus der Forderung, daß im hochohmigen Fall, also bei der Impedanz Z=VSWR.Z0, die volle Nennleistung PRF erbracht werden muß zu



Bei üblicherweise unveränderter Betriebsspannung ergibt sich dann im niederohmigen Fall, also bei Z=Z0/VSWR, für dieselbe Nennleistung PRF der maximale mittlere Betriebsstrom



und daraus die maximale Verlustleistung zu



Für den angenommenen Wert von VSWR ≤1,5 resultiert daraus im niederohmigen Fall ein Wirkungsgrad von nur 52%. Bei gleicher abgegebener Nennleistung liegt die abzuführende Verlustleistung im niederohmigen Fall damit um rund den Faktor 3,4 höher als im hochohmigen Fall.

Da die einzelnen Komponenten der Senderanordnung noch verlustbehaftet sind, ist der reale Wirkungsgrad in allen Fällen geringer.


Anspruch[de]
  1. 1. Senderanordnung mit einem transistorisierten Senderverstärker (3), der von einer Stromversorgungseinrichtung mit einer vorgegebenen Betriebsspannung (UB) versorgt wird und nach Maßgabe eines Eingangssignals (RFi) ein Ausgangssignal an eine Sendeantenne (9) abgibt, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur fortlaufenden Bestimmung der am Verstärkerausgang wirksamen momentanen Lastimpedanz und zur Nachführung der Betriebsspannung (UB) in der Weise, daß bei größerer Lastimpedanz eine höhere, bei geringerer Lastimpedanz eine niedrigere Betriebsspannung eingestellt wird, wobei die Nachführung der Betriebsspannung mit einer Zeitkonstanten, die groß ist gegenüber periodischen Anteilen des Eingangssignals, erfolgt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (1) zur Messung des Betriebsstroms (IB) von der Stromversorgungseinrichtung an den Verstärker,

    Mittel (2) zur Messung der Amplitude der Wechselspannung (UW) am Ausgang des Verstärkers,

    einen Steuersignalgenerator (6), welchem die Meßwerte (i, u) von Betriebsstrom und Wechselspannung zugeführt sind und der aus diesen Meßwerten ein Steuersignal (St) zur Beeinflussung der Betriebsspannung (UB) ableitet und an die Stromversorgungseinrichtung abgibt,

    wobei der Steuersignalgenerator eine Wertemittelung über einen Zeitraum, der groß gegenüber der Periodendauer der Wechselspannung ist, vornimmt.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuersignalgenerator der Quotient aus den Meßwerten von Wechselspannungsamplitude und Betriebsstrom gebildet wird.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für den Betriebsstrom vor der Ableitung des Steuersignals um einen vorbekannten Wert für den Ruhestrom des Verstärkers vermindert werden.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Meßwerte von Betriebsstrom (IB) und/oder Wechselspannungsamplitude (UW) Schwellwerte vorgegeben sind und der Steuersignalgenerator erst bei einer Schwellwertüberschreitung ein meßwertabhängiges Steuersignal ableitet.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der Wechselspannungsamplitude frequenzselektive Mittel vorgesehen sind.
  7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Wechselspannungsamplitude ein Spitzenwertdetektor eingesetzt ist.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung eine Spannungsstabilisierungsschaltung mit einer Referenzspannung enthält und daß zur Nachführung der Betriebsspannung die Referenzspannung beeinflußt wird.
  9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung ein Schaltnetzteil enthält, und daß die Zeitkonstante zur Nachführung der Betriebsspannung groß ist gegenüber der Schaltperiodendauer des Schaltnetzteils.






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