DE2556706A1

DE2556706A1 - Leistungsverstaerker fuer die verstaerkung eines hochfrequenzsignals

Info

Publication number: DE2556706A1
Application number: DE19752556706
Authority: DE
Inventors: Gary Robert Hoffman; William Peter Rinkers
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1975-12-17
Publication date: 1976-08-05
Also published as: GB1481387A; US3963993A; FR2299760A1; DE2556706C2; FR2299760B1; JPS59111307U; CA1041184A; JPS51126027A; JPS6138268Y2; IT1063741B

Description

BflHMMNW^LTE ~BROSE^D ^ BROSE

D-aO23 Mfjnchen-Pullach. Wiener S*tr. 2; Tel (i*9) 7 «3 3Ü 71; Telex 52^2147 bro3 d; Cables: -Patentibys-hjünchei

Diplom Ingenieure

Ihr Zeichen: Tag: ₁ r -n_OI7Om-u _OT. ι

Yourref.: 5290-A , Date: ' ^b · Dezember I

vl/sta

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan, 48075, USA

leistungsverstärker für die Verstärkung eines Hochfrequenzsignals

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Erzeugen einer hohen Leistungsverstärkung von gewöhnlich relativ hochfrequenten Fignalen oder'Mikrowellenfrequenzen, und zwar durch Verwendung einer Vielzahl allgemein identisch aufgebauter parallelgeschalteter Verstärkerelemente. Speziell betrifft die Erfindung ein Gerät, welches einen hohen Grad an Durchbrennschutz der Verstärkerelemente bietet, wenn das Gerät elektrisch unabgeglichen werden sollte.

Es sind eine Reihe von unterschiedlichen Techniken hinsichtlich Hochleistungsverstärkern für relativ hochfrequente Signale bekannt, durch die die Einschränkungen hinsichtlich der Leistung in Verbindung mit einzelnen Pestkörperverstärkerelementen

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überwunden werden. Diese Techniken basieren allgemein darauf,
mehrere Festkörper-Verstärkerelemente parallelzuschalten, wo- ; bei jedes Verstärkerelement einen Teil der Verstärkungsaufgabe übernimmt, und zwar dicht an den Grenzen seiner Kapazität, ι

Der gesamte Leistungsausgang, der sich mit Hilfe eines solchen ^! Verstärkers erzielen läßt, ist somit theoretisch gleich dem
Produkt aus der Anzahl der verwendeten Verstärkerelemente und
dem Leistungsausgang eines' einzelnen Elementes. Ein Beispiel j eines derartigen Leistungsverstärkers ist in der US-Patentschrift 3 593 174 beschrieben. In dieser Patentschrift wird \ ein Festkörpergerät für die Verstärkung von Signalen im Mikro- j Wellenbereich beschrieben, welches aus einer Vielzahl von pa— i rallelgeschaiteten Pestkörper-Verstärkerelementen besteht, die
in gleichen Abständen zwischen angezapften Eingangs- und Aus— > gangsübertragungsleitungen angeschlossen sind, die jeweils die \ Mikrowellenenergie gleichmäßig auf jedes der parallelgeschal- ι teten Verstärkerelemente verteilen und zu einer phasenkohärenten Addition der Ausgangssignale aus jedem der Verstärkerelemente führen. Durch die Anwendung dieser Technik einer phasen- \ kohärenten Addition von AusgangsSignalen mehrerer Verstärkerelemente wird es ermöglicht, daß jedes Verstärkerelement unter
; normalen Bedingungen, das heißt, wenn die Vorrichtung elek—
;' trisch abgeglichen ist, seinen proportionalen Anteil der Ver-
'· Stärkeraufgabe übernimmt. Bei nicht abgeglichenen elektrischen ■ ' Zuständen, wie diese beispielsweise bei einem ungünstigen
^: Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR)/auf der Ausgangsseite
' des Verstärkers auftreten können oder.gemäß einem anderen Bei-
; spiel nach einem anfänglichen Abgleich oder Trimmen des Ver- _; stärkers, bevor dieser in den elektrischen Abgleichzustand ge- j j bracht wird, wird die Verstärkungsaufgabe ungleichmäßig auf ' die verschiedenen Verstärkereiemente verteilt, was dazu führt, \ ; daß bestimmte Elemente überlastet werden. Ein Verfahren, die ; ! einzelnen Elemente im Falle eines elektrisch nicht abgeglichenen Zustandes zu schützen, besteht darin, mehr Verstärkerele-
; mente vorzusehen als sonsi; erforderlich sind, so daß jedes
j Verstärkerelement gut unterhalb seiner Nennwerte während des

j normalen Betriebes arbeitet. Im Falle einer elektrischen

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Unabgeglich.enh.eit wird dann kein Verstärkerelement einer potentiellen katastrophalen Überlastung ausgesetzt. Andere Mittel zum Schütze der Verstärkerelemente bestehen aus einem Zirkulator, der zwischen dem Ausgangsanschluß des Verstärkers und die Last geschaltet ist, um dadurch vom Verstärker die von der Last reflektierte Energie fernzuhalten.

Die vorliegende Erfindung stellt jedoch eine sehr viel bessere Lösung des angesprochenen Problems dahingehend dar, daß jedem Verstärkerelement die Möglichkeit gegeben wird, unter normalen . Bedingungen nahezu auf den Nennwerten bzw. Kapazität zu arbei- j ten. Mit anderen Worten brauchen gemäß der Lehre der vorlie- ' genden Erfindung die einzelnen'Elemente nicht überdimensioniert werden, um einen Schutz gegen eine Überlastung und einen _; katastrophalen Ausfall für den FaIl eines unabgeglichenen Zustande vorzusehen, noch sind Hilfsvorrichtungen, wie bei- ; spielsweise Zirkulatoren, erforderlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Signale durch Verteilen der Eingangsleistung in gleiche Anteile unter eine Vielzahl von parallelgeschalteten Verstärkerelementen verstärkt, uad es werden dann Ausgangsgrößen bzw. Ausgangsleistungen der verschiedenen Verstärkerelemente kohärent oder in Phase addiert. Speziell wird das zu verstärkende Signal in N kohärente Signale aufgeteilt, wobei diese Signale hinsichtlich der Leistung untereinander gleich sind, und werden dann jeweils N unterschiedlichen Eingangsübertragungsleitungen zugeführt, von denen jede eine unterschiedliche Länge oder Phasenverschiebung relativ .zu den , ι Signalen besitzt, welche durch diese hindurchlaufen, wobei N \ ' die Zahl der verwendeten Verstärkerelemente bedeutet. Weiter j sind Verstärkerelemente an die verschiedenen Eingangs-Übertra- ' gungsleitungen und Ausgangs-Übertragungsleitungen angesehlos- \ • sen und speziell an die Kreuzungspunkte an den.verschiedenen ; Leitungen, bei welchen die Signale normalerweise in Phase ! sind, welche durch die Übertragungsleitungen laufen. Da sich ; unter normalen Bedingungen jedes Ende jedes Widerstandselemen- ·- tee auf dem gleichen momentanen Spannungswert befindet, fließt in den Widerstandselementen kein Strom, und es wird in diesen' ; _._6.0 9_83_2_L⁰⁵.9?

auch keine Energie verbraucht. Bei einem elektrisch unabgegli- j chenen Zustand jedoch, beispielsweise wenn eine Verstärkeraus- | gangsgröße einer Last zugeführt wird, die einen großen VSWR
besitzt, werden die sonst normalen Phasenbeziehungen durch den
Verstärker versetzt bzw. verschoben. Die verschiedenen Enden ! von bestimmten Widerstandselementen nehmen unterschiedliche
Spannungswerte an, wodurch ein Strom in den Widerstandselementen zu fließen beginnt, so daß in den Widerstandselementen die
Leistung vernichtet wird bzw. aufgebraucht wird, die sonst gemäß dem Stand der Technik in den Verstärkerelementen auftreten | würde, so daß dadurch die genannten Verstärkerelemente vor i einer Zerstörung bzw. katastrophalem Ausfall geschützt werden, j

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- : spiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es ; zeigt:

Pig. 1 einen schematischen Stromlaufplan zur Erläuterung . der Theorie, welche der Erfindung zugrundeliegt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
in Festkörpertechnik nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 bis 6 verschiedene Kurven, die zur Erläuterung der
Betriebsweise des Gegenstandes der Erfindung nützlich sind.

Gemäß Figur 1 ist eine Ausführungsform nach der Erfindung ge- i zeigt, die vier Verstärkerelemente 10, 12, 14 und 16 enthält, \ die zueinander parallelgeschaltet sind. Obwohl vier Verstär- > kerelemente bei dieser Ausführungsform gezeigt sind, ist darauf hinzuweisen, daß es für den Fachmann selbstverständlich j ist, daß irgendeine praktische Zahl von Verstärkerelementen, !

geradzahlig oder ungeradzahlig, verwendet werden kann. j

Ein zu verstärkendes Eingangssignal wird auf der Leitung 17

empfangen, und zwar von einem Leistungsteiler 18, der die Lei— ; stung den verschiedenen Verstärkerelementen zuteilt. Bei dieser Ausführungsform wird die Leistung gleichmäßig auf die verschiedenen Eingangsübertragungsleitungen 10 j, 12 j, 14 3 und 16 j der jeweiligen Verstärkerelemente an dem Eingangsende der verschiedenen Übertragungsleitungen 10 a, 12 a, 14a und 16 a verteilt. Die Verstärkerelemente speisen verschiedene Übertragungsleitungen, die hier jeweils aus-Ausgangs-Übertragungsleitungen 10 k, 12 k, 14k und 16 k bestehen, wobei diese Übertragungsleitungen an den Punkten 10 e, 12 e, 14 e und 16 e mit einer Leistungsverbindungsstufe 44 in Verbindung stehen, wobei die Leistung der verschiedenen AusgangB-Übertragungsleitungen auf die einzige Ausgangs—Übertragungsleitung 46 verbunden gegeben wird, die dann an die Last 48 abgegeben wird.

Unter der Annahme normaler abgeglichener.elektrischer Zustände bei dem Verstärker gemäß Figur 1, das heißt, daß die Signale an den Auslangen des Leistungsteilers 18, an den Punkten 10 a, 12a, 14 a und 16 a in Phase mit den anderen sind, und daß die Phasenverschiebungen der verschiedenen Verstärkerelemente gleich sind, und daß die Signalleistung gleichmäßig zu den verschiedenen Eingangsübertragungsleitungen aufgeteilt ist, läßt sich erkennen, daß die durch die verschiedenen Eingangsübertragungsleitungen laufenden Signale an den Stellen, die relativ zur Phasenverschiebung von dem Leistungsteiler 18 gleichen Abstand haben, untereinander in Phase sind und die gleiche Amplitude besitzen. An diese Stellen mit normalerweise gemeinsamer Phase und Amplitude sind die Widerstandselemente 20 bis 42 angeschlossen. Da in diesem Fall über irgendeinem Widerstandselement kein Spannungsabfall vorhanden ist, fließt auch in diesem kein Strom, und es wird keine oder eine vernachlässigbar geringe Energie in diesem Widerstand verbraucht.

Bei einem praktischen Verstärker ist die Phasenverschiebung pro Längeneinheit für die verschiedenen Übertragungsleitungen konetant. Ein Widerstandselement ist daher so angeordnet, daß deeeen Enden von dem Leistungsteiler 18 gleichen Abstand

ι besitzen und beide Enden entweder auf einer Eingangsübertragungsleitung oder einer Ausgangsübertragungsleitung liegen. Das letzte Kriterium gilt unter der Annahme, wie dies typisch der Fall ist, daß die Phasenverschiebung pro Längeneinheit

' durch ein Verstärkerelement unterschiedlich von der Phasenver-Schiebung pro Längeneinheit durch eine Übertragungsleitung ·■ ist.

■ Es ist wünschenswert, daß die Signale auf den verschiedenen \ Übertragungsleitungen zueinander in Phase an der Leistungsverbindungsstufe 44 anlangen und gleiche Amplitude haben. Unter der zuvor getroffenen Annahme wird dies dadurch erreicht, indem man die Phasenverschiebung zwischen dem Leistungsteiler 18 und der Leistungsverbindungsstufe 44 entlang irgendeiner der Übertragungsleitungen gleich macht. Dies läßt sich natürlich dadurch realisieren, indem man die Abstände entlang den verschiedenen Übertragungsleitungen zwischen dem Leistungsteiler und der Leistungsverbindungsstufe gleich wählt. Die Leistungsverbindungsstufe 44 braucht daher lediglich ein Impedanzwandler zu sein, um eine Anpassung der Impedanz der Übertragungsleitungen 10 k, 12 k, 14 k und 16 k an die Leitung 46 zu erzielen.

Wie bereits erwähnt wurde, fließt, da jedes Widerstandselement an die Stellen angeschlossen ist, die untereinander in Phase sind bzw. gleiche Phasenwerte aufweisen, in diesen Widerstandselementen kein Strom, und es. wird normalerweise keine Energie verbraucht. Wenn jedoch die Schaltung unabgeglichen werden sollte, beispielsweise als Ergebnis einer Fehlanpassang der Last 48, so daß eine übermäßige VSWR-Porm oder -Figur eine Reflexion der Energie von der Last bedingt, so · erscheinen an den verschiedenen Übertragungsleitungen Spannungs-Stehwellen, und es wird die Phasengleiohheit der ver schiedenen Stellen, an welchen die Widerstandselemente ange schlossen sind, gestört. Es fließt daher Strom in bestimmten oder in allen Widerstandselementen, und es wird Leistung ver braucht, die sonst ungleichmäßig auf die verschiedenen 6-6-9 ^

Verstärkerelemente verteilt werden würde. Dies soll nun im j

folgenden näher erläutert werden. * ^;

i Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines tatsächlich

nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführten ;

Verstärkers. Das gewählte Ausführungsbeispiel ist in Einklang :

mit Mikrostreifentechniken hergestellt, wobei Leiterstreifen |

und Leiterbahnen auf der oberen Fläche eines Substrats 52 ge- j

wohnlich:durch Photoätzverfahren angeordnet werden, wobei die- ;

ses Substrat eine Grundebene 50 auf der anderen Seitenfläche j

j besitzt. Wie dem Fachmann gut bekannt ist, kann das Substrat ₍

aus irgendeiner Anzahl von dielektrischen Materialien beste- ■

hen, wie beispielsweise Aluminium, oder mit Glas angereicher- ;

tes Teflon. Ein Eingangs-Leistungsteiler 54 in Form eines ϊ

' Impedanzübertragers empfängt ein zu verstärkendes Eingangssi- j

; gnal an dem Steg 56 und verteilt dieses Signal gleichmäßig | j auf die Bingangsübertragungsleitungen 58, 60, 62 und 64. Der

Impedanzübertrager enthält eine Kapazität 57 und paßt die i Impedanz der Eingangsleitung an die TSingangs-Übertragungsleitungen 58 bis 64 an. Die Widerstandselemente 70 bis 75 sind zwischen die Punkte an den verschiedenen Eingangs-Übertragungs-j

leitungen angeschlossen, bei welchen die die Übertragungslei- ^: tungen durcheilenden Signale normalerweise zueinander bzw. untereinander in Phase sind. In ähnlicher Weise empfängt eine Ausgangsleistungs-Verbindungsstufe 76 in Form eines weiteren Impedanzübertragers die verstärkten Signale von den Ausgangsübertragungsleitungen 80, 82, 84 und 86 in Phase und liefert

j diese verstärkten Signale zu dem Steg 78 für den Anschluß an i

eine Last 79 über eine Leitung 77» wobei beide diese Elemente ;

j schematisch gezeichnet sind. Auch in gleicher Weise sind die | ! Wider stands elemente 90 bis 95 an die Punkte der Aüsgangsüber-{ tragungsleitungen angeschlossen, bei welchen die Signale die Ausgangs-Ubertragungsleitungen normalerweise in Phase bzw. Phasengleichheit passieren. Der letzte Impedanzübertrager enthält eine Kapazität 75 und paßt die Impedanz der Ausgangsübertragungsleitungen an die Leitung 77 an.

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Bei diesen Auoführungsbr i spiel sind vier V er π tar lc er elemente 100 bis 103 zueinanr.-jr parallelßeschaltet. Allgeaiein sind die Yerstärkerelemente untereinander identisch, so daß lediglich das.Element 100 beschrieben werden braucht. Das Verstärkerelement 100 ist kapazitiv an die Eingangs-Übertragungsleitung 64 am Abschnitt 6'_t a derselben gekoppelt und ist über die Kapazitäten 106 und 10" am Abschnitt 36 a an die Ausgangs-Übertragunjsleit >:ui£ 36 gekoppelt. Die anderen Verstärkerelemente sind in ähnlicher tfeise kapazitiv zu den zugeordneten Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen durch ihre zugeordneten IZopplungskapazitaten angekoppelt. Die Kopplungskapa— zitäten mit den Kapazitäten 106 und 103 stellen diskrete Komponenten dar, wobei die Kapazität 106 in geeigneter "/eise elektrisch zwischen den; Punkt 64 a und den Punkt 110 a auf der Bahn 110 anGecchlocoen int, die einen Eingangs-Impedanzwandler oder Übertrager darstellt, v/elcher eine Übertragung bzw. Anpassung von der Eingangninpedanz der Eingangs-Übertragungsleitung 64 zu.li Sin^aiif^anschluß 112 a der "V.erstärkervorrichbung 112 bewirkt Die Verstärker/orrichtung 112 besteht bei diesem Ausführuii^beinpiel in geeigneter Weise aus einem NPN-Transistor, dessen Emitter den Eingangcjanschluß 112 a darstellt, und dessen Kollektor einen'Ausgangsanschluß 112 b darstellt. Die Basis ist rait einem Steg II8 verbunden, der bei diesen Ausführungsbeispiel geerdet ist. Die Kapazität IO8 ist elektrisch zwischen dem Punkt 86 a an der Übertragungsleitung 36 und dem Punkt 114a auf der Bahn 114 angeschlossen, die einen Ausgangsimpedanzwandler oder Übertrager darstellt, der die Ausgangsimpedanz des Anschlusses 112 b an die Impedanz der Übertragungsleitung 86 anpaßt bzw. transformiert. Der Eingangsimpedanzv/andler enthält darüber hinaus eine veränderliche Kapazität 120, die dazu verwendet wird, den Eingangsimpedanzwandler oder Übertrager abzustimmen, und der zwischen dem.Punkt 110 b auf der Bahn 110 und Masse bzw. dem Steg II8 angeschlossen ist. Der Eingangsimpedanzwandler enthält auch einen Widerstand 122, der eine diskrete Komponente darstellt und zwischen dem Punkt 110 c auf der Bahn 110 und Masse bzw. dem Steg 118 angeschlossen ist. pr ähnlicher Weise enthält

BAD ORIGINAL

der Ausgangs-Impedanzv/andler eine einstellbare Kapazität 124, die dazu verwende!; wird, den Ausgangs-Impedanzwandler abzustimmen, und die zwischen dem Punkt 114 b auf der Bahn 114 und LIasse bzw. dem Tteg 118 angeschlossen ist. Eine Vorspannungsquelle (schemabinoh dargestellt) für dac Verstarkereleinent 112 ist an einem Punkt 114 c auf der Bahn 114 angeschlossen und enthält eine Kapazität 126, die zwischen die Stelle 114 c und Masse bzw. den Steg 118 angeschlossen ist, um relativ hochfrequente Signale zu entfernen bzw. unschädlich zu machen. Wie bereits an früherer Stelle erwähnt wurde, ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung insbesondere während der Zeit von Nutzen, während welcher der Verstärker sich in einem elektrisch unabgeglichenen Zustand befindet, wie beispielsweise /or dem Zeitpunkt der Abstimmung des Eingangs— und Ausgangsimpedanzwandlers bzw. Übertragers durch Einstellung der Kapazitäten 120 und 124. Eo sei auch darauf hingewiesen, daß die verschiedenen übertragungsleitungen bei diesem Ausführungcbeispiel eine gemeinsame Breite aufweisen und daher eine identische Impedanz besitzen. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel beträgt die Impedanz der verschiedenen übertragung;-,leitungen 50 Ohm. Die Frequenz des zu verstärkenden Signale beträgt 1090 IOTz. Der elektrische Abstand zwischen den verschiedenen Verstärkerelementen entlang den verschiedenen Übertragungsleitungen, also beispielsweise der elektrische Abstand 125, beträgt 45 °.

Obwohl das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 in Einklang mit den Mikrostreifentechniken hergestellt ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß eine ähnliche und praktisch identische Ausführungsform auch mit Hilfe von Trickfilmtechniken und/oder Triplatetechniken hergestellt werden kann.

Im Ergebnis ist die Summe der Länge der Eingangsübertragungsleitung irgendeines Verstärkerelementes und die Länge der Aus- \ gangsübertragungsleitung für das gleiche Element eine Konstante. Anders ausgedrückt ist die Phasenverschiebung eines vom

Eingangssteg 56 zum Ausgangssteg 78 übertragenen Signals die 6-0-9-8-3-2-^ 0

gleiche, und swar ungeachtet des Übertragung?- und Verstärkungselementpfades, welchen das Signal durchläuft. In bevorzugter Weise sind unter normalen Bedingungen die Signale an den Eingangsenden jeder Eingangcübertragungüleitung in Phase. Dies ist bei dem Ausführungsbeicpiel gemäß Figur 2 der Fall, ; und die übertragungsleitiingen und Verstärkerelemente sind bei dieser Figur derart angeordnet, daß die die verschiedenen | Übertragungsleitungen durchlaufenden Signale untereinander in Phase sind, und zwar bei allen benachbarten Punkten entlang der Leitungen. Die Widerstandselemente sind dicht bei dem Anschluß der Verstärkerelemente und der Übertragungsleitungen angeordnet, und zwar aus Symmetriegründen, und besitzen auch gleichen Abstand, wobei die Gründe hierfür im folgenden erläu- · tert werden sollen. ;

Wie dem Fachmann gut bekannt ist, lassen sich Verstärkerelemente als auch übertragungsleitungen des dargestellten Typs ,mit praktisch identischer Phasenverschiebung herstellen. Dies kann routinemäßig derart durchgeführt werden, wie es bei- _: spielnweiae in der bereits erwähnten US—Patentschrift 3 593 174 bec.-hrieben ict. Es sei nun angenommen, daß VSWR ; der Last, die an den Steg 78 angeschlossen ist, sehr groß wird. AIc Ergebnis hiervon erscheinen Stehwellenspannungen wenigstens entlang den Ausgangsübertragungsleitngen mit dem Ergebnis, daß die Leistungoverteilung zu den verschiedenen Verstärkerelementen oder die Zuteilung der Leistung zu diesen Elementen ungleich wird. Dies kann als unabgeglichener elektrischer Zustand des Verstärkers betrachtet werden. Diese ungleiche LeiatungsZuteilung wird durch eine Ungleichheit der Amplituden der Ausgangssignale der verschiedenen Verstärker— elemente bewirkt und natürlich auch durch, eine Ungleichheit der Amplituden der Eingangs signale zu den verschiedenen V er— Stärkerelementen. Dies führt zu einer Änderung in der Verbindungskapazität der Verstärkerelemente, wobei die Verbindungskapazität der verschiedenen Elemente nicht langer gleich ist. Dies läßt sich anhand der Figuren 3 bis 6 näher erläutern, wobei die Verbindungskapazität eines Verstärkereiementes

gegen die Signalspannung an diesem Verstärkereienent aufgetragen ist. In den Figuren 3 "bis 6 stellt die Kurve 130 die Kapazität skurve dar, und die vertikale Linie 134 stellt die vom Kollektor zum Emitter verlaufende Vorspannung dar, wenn die aktive Verstärkervorrichtung durch einen Transistor gebildet ist. Gemäß Figur 3 wird keine Signalspannung aufgedrückt, was dazu führt, daß die Verbindungrkapazität (junction capacity) an der Verbindung der Kurven 130 und 134 gefunden werden kann und speziell an Punkt 132. In Figur 4 stellt die Kurve 138 eine normale Signalspannung dar, das ist die Signalspannung, welche sich einstellt, wenn keine Stehwellen an den verschiedenen übertragungeleitungen vorhanden sind, und wenn die Leistung gleichmäßig an die verschiedenen Verstärkerelemente verteilt ist. unter diesen Bedingungen ist die Verbindungskapazität an der Stelle 136 wiedergegeben. Figur 5 zeigt eine Darstellung eines Signals mit niedriger Amplitude, welches durch die Kurve 140 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Verbindungskapazität an der Stelle 142 wiedergegeben. Der Punkt 136 /on Figur A ist in Figur 5 als Bezugspunkt vorhanden. Figur 6 zeigt die Situation mit großem Signal, wobei die Kurve 144 dac große Signal darstellt. In diesem Fall ißt die Verbindungskapazität an Punkt 146 v.'iedergegeben.· Die normale Übcrgangskapazität und die Kapazität des kleinen Signals, welche durch die Punkte 136 und 142 dargestellt sind, ist hier aus Bezugsgründen reproduziert. Es läßt sich erkennen, daß bei Vorhandensein von Stehwellen an den Übertragungsleitungen die verschiedenen Verstärkerelemente in Abhängigkeit von Signalwerten bzw. —pegeln arbeiten, die hinsichtlich der Signalpegel unterschiedlich sind, bei welchen andere der Verstärkerelemente arbeiten. Als Ergebnis hiervon unterscheidet sich die Verbindungskapazität von verschiedenen Verstärkerelementen von der Verbindungskapazität anderer Verstarkungselemente. Der Verstärker als ganzes betrachtet befindet sich daher in einem elektrisch nicht ausgeglichenen Zustand, was dazu führt, daß entweder die Phase der Signal an den Enden der verschiedenen Widerstandseiemente unterschiedlich ist, oder die Amplitude der Signale an den gegenüberliegenden Enden der Widerstandselemente unter-

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schiedlich, ist, oder daß beide diese Phänomene auftreten, mit , dem Ergebnis, daß in bestimmten vViderstandselementen oder in allen Widerstandseleraenten ein Strom fließt und dadurch in diesen Energie verbraucht wird. Auf diese V/eise sind die ver- '^ schiedenen Verstärkerelemente gegen einen Überlastuagszustand · gesichert. ■

Auch andere Faktoren können zu einem unabgeglichenen elektri— j .sehen Verstärkungzustand führen. Beispielsweise ist es möglich, daß während der Zeit, während welcher die Eingangs- und ; Ausgangsimpedanzwandler der verschiedenen Verstärkerelemente ' abgeglichen werden, die Leistung oder Energie ungleichmäßig auf die verschiedenen Verstärkerelemente verteilt wird. Auch in diesem Fall schützen die Widerstandselemente die Verstär— ! kerelemente gegen eine Überlastung.

Es sei hervorgehoben, daß es für die Betriebsweise des Gegenstandes der Erfindung wesentlich ist, daß die verschiedenen Verstärkerelemente untereinander durch eine gewisse elektrische Phasendifferenz getrennt sind, die bei dem Ausführungsbeispiel : gemäß Figur 2 als 45 ° gewählt wurde. Dies läßt sich einfacher \ verstehen, wenn man die Grenzbedingung betrachtet, bei welcher die verschiedenen Verstärkerelemente exakt untereinander in Phase arbeiten. In diesem Fall wird ein ungünstiger VSWR-Zu- j stand in gleicher Weise in¹jedes Verstärkerelement reflek- ' tiert, was dazu führt, daß keine elektrische Uhabgeglichenheit ; auftritt, und in den schützenden. Wideretandselementen-kein Strom fließt, so daß alle Verstärkerelemente überlastet werden. \ Aus einem einfachen Grund ist es auch, wünschenswert, daß die d Widerstandselemente einen Abstand aufweisen.

Es ist somit für den Fachmann zu erkennen, daß der Gegenstand I der Erfindung auch in anderen Ausführungsformen als den darge- j stellten und beschriebenen realisiert werden kann. Beispiels- j weise läßt sich der Gegenstand der Erfindung auch dadurch realisieren, indem man diskrete Übertragungsleitungen, wie beispielsweise Koaxialkabel, verweiyletj„solange die Phasenbezie-

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hung der verschiedenen Signale, die durch die Übertragungsleitungen laufen, in Einklang mit der Lehre der vorliegenden Erfindung steht, und die verschiedenen Verstärkerelemente gegeneinander hinsichtlich der Phase im Sinne der vorliegenden Er-

. findung getrennt sind. Es sei auch erwähnt, daß die Widerstandselemente an den Eingangnübertragungsleitungen eine verbesserte Lastimpedanz für einen Treiberverstärker (nicht gezeigt) darstellen, der den Verstärker nach der vorliegenden Erfindung speist, was also einen zusätzlichen Vorteil zu den bereits erläuterten" Funktionen dieser Widerstandselemente darstellt. Dort, wo der Konstruktuer des Systems nicht beabsich-

■ tigt, eine derartige verbesserte Lastimpedanz vorzusehen, kann er auch nach Wunsch die Widerstandselemente der Singangsübertragungsleitungen weglassen und lediglich die Widerstandselemente an den Ausgangsübertragungsleitungen verwenden. Alternativ lassen sich auch die Widerstandselemente lediglich an den Ei'ngangsübertragungsleitungen vorsehen, und es können somit die Widerstandselemente an den Ausgangsubertragungsleitungen beispielsweise dann weggelassen werden, wenn ein Zirkulator zwischen dem Verstärker und der Last zur Anwendung gelangt, oder die Lastimpedanz auf andere Weise gesteuert wird.

Die Erfindung schafft somit einen Leistungsverstärker mit ; einer Vielzahl von allgemein identisch aufgebauten Verstärker- ^! elementen, die parallel zwischen Eingangs- und Ausgangsüber- ! tragungsleitungen bzw. Verzögerungsleitungen für eine phasen-

koherente Addition der Ausgangssignale, jedes Verstärkerelek ments parallelgeschaltet sind. An den normalerweise phasengleichen Punkten oder Stellen der Übertragungsleitungen sind J Widerstandselemente angeschlossen. Wenn der Verstärker im elektrischen Sinn unabgeglichen wird, so wird von den Wider-Standselementen Energie absorbiert, so daß dadurch die Verj Stärkerelemente geschützt werden.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in der Zeichnung veranschaulichten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung .

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Claims

-U-

a t e nt anspruche

Leistungsverstärker für die Verstärkung eines Hochfrequenzsignals mit folgenden Einrichtungen und Merkmalen: mehreren Verstärkereiementen zum Verstärken des Hochfrequenzsignals; Eingangsmitteln zum Empfangen eines zu verstärkenden Hochfrequenzsignals und zum Verteilen der Signalleistung dieses Eingangs-Hochfrequenzsignals in Einklang mit einer vorbestimmten Anordnung auf jedes der Verstärkerelemente, wobei die Eingangsmittel aus einer Vielzahl von Eingangs-Übertragungsleitungen bestehen, von denen jede ein erstes Ende für : den Empfang eines vorbestimmten Abschnitts der Signallei— stung des Eingangs-Hochfrequenzsignals und ein zweites Ende für die Abgabe des vorbestimmten Abschnitts der Signalleistung des Eingangs-Hochfrequenzsignals zu einem zugeordneten Verstärkerelement besitzt, und wobei jede der Eingangs-Übertragungnleitungen eine unterschiedliche Phasenverzögerung zwischen den ersten und den zweiten Enden für die Signale aufweist, die durch diese Übertragungsleitung hindurchlaufen, und wobei vorbestiinmte Punkte an den Eingangsübertragungsleitungen vorhanden sind, bei welchen Signale, die eine der Eingangsübertragvingsleitungen durchlaufen, normalerweise mit den Signalen in Phase liegen, die eine andere der Eingangsübertragungsleitungen durchlaufen; Aus- : gangsmitteln, die zum Empfangen des Ausgangs jeden der Ver- : stärkereieuente angeschaltet sind, um eine phasenkohärente Addition der Ausgangs signale der Verstärkerelemente durchzuführen, und wobei die Ausgangsmittel aus einer Vielzahl von Ausgangrübertragungsleitungen bestehen, die jeweils ■ einem unterschiedlichen Verstärkerelement zugeordnet sind, ι und jede Ausgangsübertragungsleitung ein erstes Ende auf-· weist, welches zum Empfang des Ausgangs signals des zugeordneten Verstärkerelements angeschlossen ist, und ein zweites Element aufweist, welches mit den zweiten Enden der anderen Ausgangsübertragungslei-frungen zusammengeschaltet ist, und wobei das verstärkte Hochfrequenzsignal an den zusammengeschalteten zweiten Enden erzeugt wird, und jede der Aus-'. 6Q9832/Q5 93 _.: ,'

gangsübertra£ungcleitun/~en eine unterschiedliche Phasenver- ; zogerung zwischen ihren ersten und zweiten Enden hinsieht— ' , lieh der durch diese Ausgangsübertragungsleitungen hindurchlaufenden Signale aufweist, und wobei an den Ausgangs- ^;

: Übertragungsleitungen vorbestimmte Punkte vorhanden sind, '

: bei welchen die Signale, welche eine der Ausgangrrübertra- ' gungsleitungen durchlaufen, normalerweise in Phase zu den : Signalen sind, di<e andere der Ausgangsübertragungsleitungen
durchlaufen, dadurch gekennzeichnet,!

; · daß der Leistungsverstärker folgende Einrichtungen und . j Merkmale aufweist: erste Mittel (70 - 75)» um Widerstands- i mäßig bestimmte der vorbestimmten Punkte an verschiedenen !

Γ ■ Eingangsübertragungsleitungen (58, 60, 62, 64) mit anderen ^>] der vorbestimmten Punkte an den anderen der Eingangsüber- j

: tragungsleitungen (58 - 64) zu verbinden; und zweite Mit- j

; tel (90 - 95)f um bestimmte der vorbestimmten Punkte an
: verschiedenen Ausgangsübertragungsleitungen (80, 82, 84,

• 86) mit anderen vorbestimmten Punkten an anderen Ausgangs-

; übertragungaleitungen (80 - 86) zu verbinden. [

\ 2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeieh- ^;

net, daß jedes der mehreren Verstärkerelemente (100, 101,

! 102, 103) eine aktive Verstärkervorrichtung (112) mit

j einem Eingangs ans chluß (112 a) und einem Ausgangs an- :

• Schluß ("112 b), eine Eingangsimpedanz-Wandlereinrich- \ ¹ tung (HO) zum Verbinden einer zugeordneten Eingangsüber- ; ^: tragungsleitung der Eingangsübertragungsleitungen.(58 -'

i 64) mit den Eingangsanschluß (112 a) und eine Eingangs-

; impedanz-Wandlereinrichtung (114) zum Verbinden des Aus- !

I gangsanschlusses (112 b) mit einer zugeordneten Ausgangs- j

j übertragungsleitung der Ausgangsübertragungsleitungen (80 - ;

! 86), aufweist. ;

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-
- net, daß die EingangsttbeVtragungsleitungen (58 - 64) einen
ersten Satz von Übertragungsleitungen (58 - 64) und daß
die-Ausgangsübertragungsleituiigen (80 - 86) einen zweiten

0 B-9-3 7~

Γ" - 16 -

Satz von Übertragungsleitungen (8O - 86) enthalten, daß die ;

Übertragungsleitungen (58 - 64, 80 - 86) aus einer Vielzahl : von ebenen Leitern bestehen, und zwar einem von jedem Satz

für jedes Verstärkerelement, daß die Übertragungsleitungen ;

jedes Satzes parallel und koplanar zu den anderen Übertra- . gungsleitungen des Satzes angeordnet sind.

4. Leistungsverstärker nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch ; gekennzeichnet, daß die ersten Enden der Eingangsübertragungsleitungen (58 - 64) allgemein untereinander ausgerichtet sind, daß die Eingangsübertragungsleitungen (58 - 64) in Stufen unterschiedlicher Längen hergestellt sind, und daß die zweiten Enden der Ausgangsübertragungsleitungen (80 - 86) allgemein untereinander ausgerichtet sind, und daß die Ausgangsübertragungsleitungen (80 - 86) jeweils in Stufen zunehmender Länge vorgesehen sind.

5. Leistungsverstärker nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (52) aus dielektrischem Material mit einer ersten flachen, plattenförmigen Fläche vorgesehen ist, und daß die Leiter auf dieser Fläche angeordnet sind.

6. Leistungsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine ebene Grundfläche oder Ebene (50) besitzt, die auf einer Fläche des dielektrischen Materials gegenüber der anderen Fläche ausgebildet ist.

'7. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmittel (76) einen Impedanzwandler oder Übertrager (76) enthalten, der zwischen die zweiten Enden der Ausgangsübertragungsleitungen (80 - 86) und einen gemeinsamen Ausgangsanschluß (78) angeschlossen ist, wobei das verstärkte Signal an dem Ausgangsansch^uß (78) erzeugt wird.

8. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverzögerung des vom ersten Ende einer der Ein-

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gangsüberfcragungr.:leitungen (i;3 - 6-0 durch, das zugeordnete Yer stärker el eraent zum zweiten Ende der zugeordneten Ausgangsübertragungsleitung durchlaufenden Signals gleich ist mit der Phasenverzögerung eines ähnlichen Signals, welches vom ersten Ende irgendeiner anderen der Eingangsübertragungale it ungen (53 - 64) durch das dieser Leitung zugeordnete Verstärlcerelement zun zweiten Ende der Ausgangsübertra— gungsleitung dieses Verstärkerelements läuft.

9. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsübertragungsleitungen (58 - 6\) und die Ausgangfrübertragungsleitungen (80 - 36) eine gemeinsame Impedanz besitzen.

609832/0593

BAD ORIGINAL