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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein lineare Leistungsverstärker, und
insbesondere Mikrowellenleistungsverstärker für Signale mit mehreren Trägerfrequenzen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
Satellitentelekommunikationssystemen ist es für HF-Leistungsverstärker wünschenswert, HF-Signale
auf eine besonders wirksame Weise linear zu verstärken. Jedoch
gibt es Kompromisse zwischen maximalem Wirkungsgrad und hoher Linearität. Der Wirkungsgrad
ist im Allgemeinen proportional zum Eingangspegel, und ein hoher
Wirkungsgrad wird im Allgemeinen erst erreicht, wenn ein Verstärker sich
seiner maximalen Ausgangsleistung nähert, was mit einem Linearbetrieb
nicht vereinbar ist. Zum Beispiel erzielen Doherty-Verstärker zum
Teil einen Vorteil in ihrem Wirkungsgrad – gegenüber Verstärkern der Normklasse AB und
Klasse B nahe ihrer Spitzenleistung aufgrund einer momentanen Modulation
ihrer Trägerverstärkerbelastungslinie,
wenn sich der HF-Eingangspegel ändert. Das
heißt,
Doherty-Verstärker
weisen eine günstigere
Beziehung zwischen Eingangspegel und Wirkungsgrad auf, weil die Verstärkerbelastungslinie
kontinuierlich modifiziert wird, um einen hohen Wirkungsgrad – beizubehalten, wenn
sich der Eingangspegel ändert.
Zusätzlich
ist die Vorspannung von Doherty-Verstärkern im Vergleich zu Verstärkern der
Normklasse AB und Klasse B deutlich reduziert. Doherty-Verstärkersysteme
sind z. B. bekannt aus "Efficiency
of Doherty RF Power Amplifier Systems", von Frederick H. Raab, in IEEE Transactions
on Broadcasting, Band BSC-33, Nr. 3, September 1987, Seiten 77–83. Insbesondere
offenbart dieses Dokument ein zweistufiges Doherty-System, und gibt
Hinweise auf mehrstufige Doherty-Systeme mit einem Beispiel eines
dreistufigen Systems zur Verstärkung
eines Niederleistungsbereiches, eines Mittenleistungsbereiches bzw.
eines Hochleistungsbereiches.
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Auf
eine hohe Linearität
weist allgemein ein niedriger Pegel nichtlinearer Intermodulationsprodukte
hin. In vielen Situationen weisen die HF-Signale, welche bei Satellitentelekommunikationssystemen
verstärkt
werden müssen,
mehrere Trägerfrequenzen
auf, welche über
eine große
momentane Bandbreite verteilt sind. Die rauschähnliche Charakteristiken dieser
Mehrträgersignale
machen es schwierig, solche Signale linear zu verstärken.
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Ein
Schlüsselproblem
beim Betrieb von Mehrträgerlinearleistungsverstärkern ist
die rauschähnliche
Charakteristik der mehreren Trägersignale.
Im Falle von Einzelfrequenzlinearleistungsverstärkern ist es nur erforderlich, dass
der Leistungsverstärker
auf konstante oder nahezu konstante Einhüllende antwortet. Jedoch ändert sich
die HF-Amplitudeneinhüllende der
rauschähnlichen Mehrträgersignale
mit der Zeit gemäß der gesamten besetzten
Signalbandbreite. Mehrträgerlinearleistungsverstärker sollten
auf diese sich ändernden
Einhüllenden
antworten, um einen hohen Wirkungsgrad und einen Linearbetrieb zu
erzielen. Daher gibt es zusätzliche
Anforderungen an die Netzgestaltung für Mehrträgerlinearleistungsverstärker oberhalb
und unterhalb jenen der Einfrequenzlinearleistungsverstärker.
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Es
besteht somit ein Bedarf an einen Mehrstufenverstärker, welcher
den Wirkungsgrad über
einen weiteren Dynamikbereich verbessert, als es mit anderen Verstärker- konfigurationen
möglich
ist. Es besteht zusätzlich
ein Bedarf an einen Verstärkerschaltkreis,
welcher für
Anwendungen, wie z. B. Satelliten und transportable Transceiver,
geeignet ist, welche für
mögliche
fortschrittliche Kommunikation auf effiziente Leistungsverbrauchstechniken
angewiesen sind. Es besteht ferner ein Bedarf an einen Verstärkerschaltkreis,
welcher linear ist, einen hohen Wirkungsgrad aufweist, einen niedrigen
Vorspannungspegel aufweist und herstellbar ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird besonders mit Bezug auf die angehängten Ansprüche erläutert. Ein besseres Verständnis der
vorliegenden Erfindung kann jedoch mit Bezug auf die detaillierte
Beschreibung und die Ansprüche
erzielt werden, wenn diese in Verbindung mit den Figuren berücksichtigt
werden, in welchen zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines
Leistungsverstärkers
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein Schaubild mit Wirkungsgradvergleichen
eines Mehrstufenleistungsverstärkers
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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3 ein Flussdiagramm eines
Verfahrens zur Verstärkung
eines Signals gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Das
hier erläuterte
Beispiel zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung auf,
und ein solches Beispiel ist nicht dazu vorgesehen, in irgendeiner
Form als begrenzend zu wirken.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, erzeugt unter
anderem einen Leistungsverstärker,
welcher linear rauschähnliche
Mehrträgersignale über einen
weiten Bereich von Leistungspegeln verstärkt. Die vorliegende Erfindung
stellt auch einen Verstärker
mit geringem Verlust (d. h. einem guten DC-zu-HF-Wirkungsgrad) und
ein Verfahren zur Verstärkung
zur Verfügung,
welches einen hohen DC-zu-HF-Umwandlungswirkungsgrad über einen
großen
Bereich von Eingabetreibersignalpegeln erzielt. Verstärker nach
dem Stand der Technik können
nicht simultan einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Linearität erzielen,
weil sich ihr hoher Wirkungsgradpunkt einstellt, wenn der Verstärker in
die Sättigung
getrieben wird, und der Begrenzungsprozess, welcher für leistungsgesättigten
Betrieb inhärent
ist, lässt
Produkte mit beträchtlicher
Verzerrung durch Kreuzmodulation entstehen.
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Indem
bei der vorliegenden Erfindung ein planarer Mikrostreifen in einer
verteilten Topologie verwendet wird, im Gegensatz zu konzentrierten Komponenten,
werden aufgrund von weniger Komponenten, weniger Drahtbondverbindungen
und wiederholt besser herstellbaren Schaltkreisen die Produktionskosten
verringert und die Zuverlässigkeit
erhöht.
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1 zeigt ein Blockdiagramm
eines Leistungsverstärkers
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Ein Verstärker 10 weist
einen Eingangsanschluss 12 zum Empfangen eines HF-Eingangssignals auf,
welches amplitudenmoduliert oder frequenzmoduliert sein könnte, oder
ein Baud aufweist, wie z. B. ein um 90 Grad phasenverschobenes verschlüsseltes
Signal, oder irgendeine Kombination aus diesen Signalen, einschließlich Mehrträgereingangssignalen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist ein Leistungsteiler 40, welcher mit dem Eingangsanschluss 12 gekoppelt
ist, ein Dreiwege-Gleichamplitudenleistungsverteiler.
Eine äquivalente
Unterteilung des Eingangssignals führt zu einem –5 dB Signalpegel
an den Ausgängen
jedes der drei Leistungsteilerausgangsanschlüssen. Bei der bevorzugten Ausführungsform
weist der Leistungsteiler 40 zwei Ausgangsanschlüsse auf,
einen ersten Trägerverstärkernetzanschluss
und einen zweiten Trägerverstärkernetzanschluss,
welche mit dem Eingangsanschluss in Phase sind, und weist einen
dritten Ausgangsausschluss auf, welcher ein Spitzenverstärkernetzanschluss
ist, der mittels eines Phasenverschiebers 19 dem Einganganschluss
um eine Viertelwellenlänge hinterherhinkt.
Die drei Leistungsteilerausgangsanschlüsse verteilen das Eingangssignal
jeweils auf ein erstes Trägerverstärkernetzwerk 70,
ein zweites Trägerverstärkernetzwerk 74,
und ein Spitzenverstärkernetzwerk 72.
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Das
erste Trägerverstärkernetzwerk 70 weist einen
Phasenverschieber 42 auf, um das Signal vom ersten Trägerverstärkerausgangsanschluss
um eine zusätzliche
Viertelwellenlänge
zu verschieben. Der Phasenverschieber 42 weist vorzugsweise
eine Übertragungsleitung
von in der Länge
einer Viertelwellenlänge
bei der Betriebsfrequenz auf.
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Das
zweite Trägerverstärkernetzwerk 74 weist
einen Phasenverschieber 44 auf, um das Signal vom zweiten
Trägerverstärkerausgangsanschluss
um eine zusätzliche
Viertelwellenlänge
zu verschieben. Der Phasenverschieber 44 weist vorzugsweise
eine Übertragungsleitung
von in der Länge
einer Viertelwellenlänge
bei der Betriebsfrequenz auf.
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Das
Spitzenverstärkernetzwerk 72 weist
einen Phasenverschieber 20 auf, um das Signal von dem Spitzenverstärkerausgangsanschluss
um eine zusätzliche
Viertelwellenlänge
zu verschieben. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist der Phasenverschieber 20 ferner
einen Leistungsverteiler auf, um eine gleiche Leistungsaufteilung
des phasenverschobenen Signals von dem Spitzenverstärkerausgangsanschluss
des Leistungsteilers 40 zu erzeugen. Ein Leistungsteiler
kann ein üblicher
Leistungsteiler sein, wie z. B. ein Wilkinson-Leistungsteiler. Sowohl
der Ausgang vom Leistungsteiler als auch der Ausgang vom Phasenverschieber 20 sind
phasengleich und bei einem zusätzlichen
Signalpegel um –3 dB
niedriger bei insgesamt –8
dB bei einem Signalpegel relativ zum Signalpegel am Eingangsanschluss 12.
Eingangsabgleichnetzwerke 46, 48, 50 und 52 gleichen
die Impedanz der Übertragungsleitungen mit
der Eingangsimpedanz der entsprechenden Verstärker ab.
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Wird
wieder auf das erste Trägerverstärkernetzwerk 70 Bezug
genommen, so wird bei der bevorzugten Ausführungsform ein erster Trägerverstärker 14 als
ein Verstärker
der Klasse AB unter Vorspannung gesetzt, und verstärkt, wenn
ein Eingangssignal vorhanden ist. Der erste Trägerverstärker 14 verstärkt bei
Anwesenheit von sogar "niedrigen" Signalpegeln, wenn
andere Verstärker
nicht unter Vorspannung gesetzt sind.
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Mit
Bezug auf das zweite Trägerverstärkernetzwerk 74 wird
ein zweiter Trägerverstärker 15 als ein
Verstärker
der Klasse C unter Vorspannung gesetzt, und verstärkt, wenn
ein Eingangsignal vorhanden ist, welches höher ist als der mindestens
erforderliche Signalpegel für
den ersten Trägerverstärker 14.
Der zweite Trägerverstärker 15 verstärkt bei
Anwesenheit von "mittleren" Signalpegeln, wie
z. B. bei einem Pegel, welcher auftritt, wenn der erste Trägerverstärker 14 in
die Sättigung
gelangt oder einen Sättigungswert
erreicht hat.
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Bei
dem Spitzenverstärkernetzwerk 72 wird ein
Spitzenverstärker 22 unter
Vorspannung gesetzt, um "hohe" Leistungssignalpegel
zu verstärken,
wie z. B. jene, welche auftreten, wenn der zweite Trägerverstärker 15 verstärkt hat
und in die Sättigung
gelangt oder seinen Sättigungswert
erreicht hat. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann ein Spitzenverstärker 23 parallel
zum Spitzenverstärker 22 konfiguriert sein,
um eine zusätzlich
Signalleistung zu erzeugen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
sind die Verstärker 14, 15, 22 und 23 Feldeffekttransistoren
(FETs). Die Gatevorspannung wird so ausgelegt, dass, bei Anwesenheit
eines Eingangssignals, wenn der erste Trägerverstärker 14 mit der Verstärkung beginnt,
der zweite Trägerverstärker 15 und
die Spitzenverstärker 22 und 23 nicht
unter Vorspannung gesetzt sind und eine hohe Impedanz aufweisen.
Ausgangabgleichsnetzwerke 60, 62 und 64 gleichen
die Impedanz der Übertragungsleitungen
mit den Ausgängen
der Verstärker
ab.
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Beim
ersten Trägerverstärkernetzwerk 70 ist das
Ausgangsabgleichsnetzwerk 60 vom ersten Trägerverstärker 14 mit
einem Phasenverschieber 16 gekoppelt, so dass sowohl eine
Phasenverschiebung um eine Viertelwellenlänge als auch ein Impedanzinverter
oder ein Transformationsnetzwerk erzeugt wird. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
weist der Phasenverschieber 16 eine Übertragungsleitung von in der
Länge einer
Viertelwellenlänge
bei der Betriebsfrequenz und von der charakteristischen Impedanz
auf, um die Leistungsfähigkeit
des Verstärkers zu
verbessern. Durch die Phasenverschiebung wird die Phase abgeglichen,
bevor alle unterschiedlichen Ausgänge miteinander kombiniert
werden.
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Bei
dem zweiten Trägerverstärkernetzwerk 74 ist
das Ausgangsabgleichsnetzwerk 64 vom zweiten Trägerverstärker 15 mit
einem Phasenverschieber 24 gekoppelt, um sowohl eine Phasenverschiebung
um eine Viertelwellenlänge
als auch einen Impedanzinverter oder ein Transformationsnetzwerk
zu erzeugen. Wie beim Phasenverschieber 16 weist der Phasenverschieber 24 eine Übertragungsleitung
von in der Länge
einer Viertelwellenlänge
bei der Betriebsfrequenz und von der charakteristischen Impedanz
auf, welche erforderlich ist, um sich der Leistungsfähigkeit
des Verstärkers
anzunähern.
Der Phasenverschieber 24 gleicht das Signal vor dem Kombinieren
ab.
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Beim
Spitzenverstärkernetzwerk 72 kombiniert
das Ausgangsabgleichsnetzwerk 62 die Ausgänge von
beiden Spitzenverstärkern 22 und 23 und liefert
ein kombiniertes Signal an einen gemeinsamen Knotenpunkt oder Kombinierer 28 für das Kombinieren
mit den Ausgängen
der Phasenverschieber 16 und 24. Sämtliche
Signale am Kombinierer 28 sind miteinander in Phase und
werden an einen Impedanzumwandler 68 ausgegeben, um mit
der Last an einem Ausgang 30 zusammenzuwirken. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
werden das erste Trägerverstärkernetzwerk 70,
das zweite Trägerverstärkernetzwerk 74 und
das Spitzenverstärkernetzwerk 72 parallel
zueinander kombiniert. Aufgrund der parallelen Konfiguration der
mehreren Stufen können Vorrichtungen
bei jeder dieser Stufen wiederholt werden und etwa die gleiche Größe der Vorrichtungen aufweisen
und daher unempfindlich dagegen sein, durch größere Vorrichtungen überlastet
zu werden. Die gleiche Dimensionierung der Vorrichtungen trägt auch
zum Zusammenpassen und zur Replikation von Vorrichtungen, wie sie
oben beschrieben sind, in Substraten wie z. B. Mirkostreifen bei.
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Ein
Impedanzumwandler 68 führt
die Funktion des Umwandelns der Last zur Impedanz von vier wirksamen
parallel verknüpften
Vorrichtungen durch. Wenn z. B. die HF-Last eine Impedanz R aufweist, dann
würde der
Ausgangsimpedanzumwandler die Last R zu R/N wandeln, wobei N die
Anzahl der gleichen Impedanzen ist, welche miteinander verknüpft sind.
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Nachfolgend
wird die Operationsfolge des Verstärkers 10 beschrieben.
Der erste Trägerverstärker 14 wird
unter Vorspannung gesetzt, um bei Vorhandensein eines Eingangs-HF-Signals zu verstärken, wobei
sowohl der zweite Trägerverstärker 15 als auch
die Spitzenverstärker 22 und 23 nicht
unter Vorspannung gesetzt sind und Idealerweise dem Kombinierer 28 eine
hohe Impedanz bieten, so dass der Schaltkreis am Kombinierer 28 nicht übermäßig belastet
wird. Der zweite Trägerverstärker 15 wird
so unter Vorspan nung gesetzt, dass, wenn der erste Trägerverstärker 14 sich
seinem Sättigungswert
nähert,
der zweite Trägerverstärker 15 sich
aufgrund des zunehmenden Eingangssignalpegels einschaltet. Wenn
er in Betrieb ist, erhöht
der zweite Trägerverstärker 15 den
Ausgangspegel des ersten Trägerverstärkers 14,
wie am Ausgang 30 zu sehen ist. Eine vergrößerte Ausgangsspannung,
welche von dem sich in Betrieb befindlichen angezeigten Trägerverstärker 15 erzeugt
wird, erscheint am Kombinierer 28 als eine Impedanzzunahme.
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Der
Phasenverschieber 16 mit seinen Impedanzwandeleigenschaften
verringert aufgrund der Impedanzinversionseigenschaften einer Viertelwellenlänge-Übertragungsleitung
die Last, welche dem ersten Trägerverstärker 14 zugeführt wird.
Durch Reduzieren der Last wird ein verbesserter Leistungsabgleich
zum ersten Trägerverstärker 14 erzielt.
Der erste Trägerverstärker 14 verstärkt eher
weiterhin die HF-Eingangsleistung
als sie hart zu begrenzen.
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Sobald
sich der zweite Trägerverstärker 15 seinem
Sättigungswert
nähert,
werden die Spitzenverstärker 22 und 23 so
unter Vorspannung gesetzt, dass sie in den leitfähigen Zustand gelangen. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird die Gatevorspannung der Spitzenverstärker 22 und 23 so
gesetzt, dass sichergestellt ist, dass von diesen Verstärkern am
bestimmten Eingangspegel Leistung hinzugefügt wird. Eine Zunahme in der
Ausgangsspannung, welche von den sich in Betrieb befindlichen Spitzenverstärkern 22 und 23 erzeugt
ist, erscheint am Kombinierer 28, und die Impedanz wird
vom Impedanzumwandler 68 zur Last abgeglichen, um den Ausgang 30 zu
erzeugen.
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2 zeigt ein Schaubild mit
Wirkungsgradvergleichen eines mehrstufigen Leistungsverstärkers gemäß der vor liegenden
Erfindung. Das Schaubild zeigt ein Diagramm der HF-Ausgangsleistung
und des Wirkungsgrades als eine Funktion der Eingangs-HF-Leistung.
Ein Verstärker
der Klasse F wurde analysiert und ausgewertet, da Verstärker der Klasse
F im Stande sind, Wirkungsgrade von 85% zu erreichen. Für den Durchschnittsfachmann
ist ersichtlich, dass Verstärker
der Klasse F die geraden Oberschwingungen kurzschließt und die
ungeraden Oberschwingungen aufbaut. Eine solche Aufbereitung erzeugt
eine rechteckige Spannungswellenform am Drain der aktiven Bauteile.
Es könnten
auch andere Verstärkerklassen
verwendet werden, wie z. B. Klasse E, Klasse B, Klasse C und andere,
wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
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Eine
Kurve 210 der Klasse B zeigt eine Wellenform eines idealen
Verstärkers
der Klasse B, wobei die Kurve einen ungefähr linearen Wirkungsgrad darstellt.
Es wird darauf hingewiesen, dass für kleine Verhältnisse
Vo/Vomax die Wirkungsgrade sehr niedrig sind und linear bis zu einem
Sättigungspunkt
ansteigen. Jedoch kann durch angemessene Vorspannung die Verstärkungsschleife
eingestellt werden, um eine frühere
Sättigung
zu erzeugen, so dass die Wirkungsrate für kleinere Signale verbessert
wird.
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Indem
zusätzliche
Stufen hinzugefügt
werden, kann eine Verstärkerkurve
so eingestellt werden, dass Wirkungsgrade über einen breiteren Bereich
von Eingangspegeln verbessert werden. Eine Zweistufen-Doherty-Kurve 220 zeigt
an einem Sättigungspunkt 221 die
Sättigung
einer ersten Stufe, welcher bei einer Zunahme von Vo ein erwarteter Wirkungsgradabfall
folgt. Wenn Vo zunimmt, wird eine zweite Stufe unter Vorspannung
gesetzt, so dass sie eingeschaltet wird, und der Wirkungsgrad beginnt
wieder bis zu einem zweiten Sätti gungspunkt zuzunehmen,
welcher entsprechend dem Sättigungspunkt 211 dargestellt
ist. Für
einen breiteren Signalbereich ist der Gesamtwirkungsgrad verbessert worden,
jedoch führen
niedrige Eingangssignale noch zu einem niedrigen Wirkungsgrad in
Bezug zu niedrigen Vo-Signalen.
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Für Mehrträgereingangssignale
kann der Gesamtwirkungsgrad des Verstärkers 10 verbessert werden.
Eine Mehrstufenkurve 230 zeigt eine Verbesserung durch
Erhöhung
des Verstärkerwirkungsgrades
für kleinere
Vo/Vomax-Verhältnisse.
Eine erste Stufe kommt bei einem Sättigungspunkt 231 in
ihre Sättigung,
wobei anschließend
der Wirkungsgrad abfällt.
Wenn der Vo-Pegel zunimmt, wird eine zweite Stufe eingeschaltet,
und weil sie noch nicht in Sättigung
ist, beginnt der Wirkungsgrad des gesamten Mehrstufenverstärkers, sich
zu verbessern, wie dargestellt ist. Wenn die zweite Stufe beim Sättigungspunkt 221 in
Sättigung
gerät,
nimmt der Gesamtwirkungsgrad des Mehrstufenverstärkers ab, und eine nachfolgende
dritte Stufe wird eingeschaltet und verbessert wieder den Wirkungsgrad.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Wirkungsgradzunahme des Verstärkers 10 als
die Flächenzunahme
zwischen der Zweistufen-Doherty-Kurve 220 und der Mehrstufenkurve 230 dargestellt.
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3 zeigt ein Flussdiagramm
eines Signalverstärkungsverfahrens
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein Verstärkungssignalprozess verstärkt Signale
mit niedrigen, mittleren und hohen Leistungspegeln, um den Wirkungsgrad des
gesamten Betriebsverhaltens des Verstärkers zu verbessern.
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Mittels
eines Prozesses 305 wird die Leistung des Eingangssignals
in drei getrennte Verteilerpfade zum ersten Trägerverstärker, zweiten Trägerverstärker und
Spitzenver stärker
aufgeteilt. Vorzugsweise wird dies durch eine Leistungsteilerschaltung, wie
z. B. einem Leistungsteiler 40, durchgeführt (1).
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Mittels
eines Prozesses 310 wird der erste Trägerverstärker unter Vorspannung gesetzt,
um ein erstes Trägerverstärkerausgangssignal
zu erzeugen, wenn das Eingangssignal einen niedrigen Leistungspegel
hat. Für
den Durchschnittsfachmann sind Vorspannungsschaltungen bekannt,
um einen Verstärkungsschwellenwert
für den
ersten Trägerverstärker zu
setzen.
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Mittels
eines Prozesses 315 wird das Signal mit dem niedrigen Leistungspegel
um eine Viertelwellenlänge
phasenverschoben, um ein erstes Trägerverstärkereingangssignal zu erzeugen.
Phasenverschieber können
Viertelwellenlängenübertragungsleitungen
sein, wie sie für
den Durchschnittsfachmann bekannt sind.
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Mittels
eines Prozesses 320 wird das erste Trägerverstärkereingangssignal im ersten
Trägerverstärker verstärkt, um
ein erstes Trägerverstärkerausgangssignal
zu erzeugen. Mittels eines Abfrageprozesses 325 wird bestimmt,
wann der erste Trägerverstärker in
Sättigung
ist. Wenn die Sättigung
noch nicht erreicht worden ist, wird die Verstärkung weiter bei einem wirksamen
Pegel durchgeführt.
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Wenn
eine Sättigung
aufgetreten ist oder bald auftritt, wird mittels eines Prozesses 330 der zweite
Trägerverstärker unter
Vorspannung gesetzt, um das Ausgangssignal des zweiten Trägerverstärkers zu
erzeugen, wenn das Signal den mittleren Pegel hat. Mittels eines
Prozesses 335 wird das Signal mit einem mittleren Leistungspegel
um eine Viertelwellenlänge
phasenverschoben, um ein zweites Trägerverstärker-Eingangssignal zu erzeugen.
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Mittels
eines Prozesses 340 wird das zweite Trägerverstärker-Eingangssignal in einem
zweiten Trägerverstärker verstärkt, um
ein zweites Trägerverstärker-Ausgangssignal
zu erzeugen. Mittels eines Abfrageprozesses 345 wird bestimmt,
ob der zweite Trägerverstärker in
Sättigung
ist. Wenn der zweite Trägerverstärker nicht
in Sättigung
ist, kehrt der Prozess zum Prozess 335 zurück, bei
der Signale weiterhin phasenverschoben und effizient verstärkt werden.
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Wenn
der zweite Trägerverstärker in
Sättigung
ist oder nahezu in Sättigung
ist, wird mittels eines Prozesses 350 der Spitzenverstärker unter
Vorspannung gesetzt, um das Spitzenverstärkerausgangssignal zu erzeugen,
wenn das Signal einen hohen Leistungspegel hat. Es ist zu beachten,
dass das Setzen unter Vorspannung jedes Verstärkers parallel und in einer
Hardwareimplementation durchgeführt werden
kann, wobei das Setzen unter Vorspannung der Verstärker durchgeführt wird,
während
dem Schaltkreis eine Leistung zugeführt wird.
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Mittels
eines Prozesses 355 wird das Signal mit dem hohen Leistungspegel
des Eingangssignals um eine Halbwellenlänge phasenverschoben, um ein Spitzenverstärkereingangssignal
zu erzeugen. Mittels eines Prozesses 360 wird das Spitzenverstärkereingangssignal
in einem Spitzenverstärker
verstärkt, um
ein Spitzenverstärkerausgangssignal
zu erzeugen.
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Mittels
eines Prozesses 365 wird das erste Trägerverstärker-Ausgangssignal und das
zweite Trägerverstärker-Ausgangssignal um
eine Viertelwellenlänge
phasenverschoben, um ein verschobenes erstes Trägerverstärker-Ausgangssignal um ein verschobenes
zweites Trägerverstärker-Ausgangssignal
zu erzeugen. Mittels eines Prozesses 370 wird das verscho bene
erste Trägerverstärker-Ausgangssignal,
das verschobene zweite Trägerverstärker-Ausgangssignal
und das Spitzenverstärkerausgangssignal
kombiniert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Mittels eines Prozesses 375 wird
ein vorbestimmter Ausgangsimpedanzabgleich für den ersten Trägerverstärker, den
zweiten Trägerverstärker und
den Spitzenverstärker
erzeugt, um ein Ausgangssignal zur Last zu erzeugen.
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Währen die
oben beschriebenen Ausführungsformen
vorzugsweise aus Galliumarsenid hergestellt werden, kann irgendeine
Komponente oder können
alle Komponenten gebaut werden, in denen konzentrierte Elemente
verwendet werden.
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Somit
ist ein Leistungsverstärker
beschrieben worden, welcher imstande ist, rauschähnliche Mehrträgersignale
zu handhaben, und welcher imstande ist, über einen breiten Bereich an
Signalleistungspegeln wirksam zu arbeiten. Dieser Leistungsverstärker ist
für den
Einsatz in transportablen Vorrichtungen geeignet, welche einen Wirkungsgrad
erfordern, der für
einen längeren
Betrieb notwendig ist. Solche Einsätze sind unter anderem transportable Telekommunikationsvorrichtungen,
wie z. B. Mobiltelefone, und Satellitenkommunikationsvorrichtungen, welche
Mehrträgerfrequenzen
verwenden, die über eine
große
momentane Bandbreite verteilt sind.
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Die
vorliegende Erfindung weist eine Topologie auf, welche die kombinierte
Ausgangsleistung von vier aktiven Bauteilen effizient erzielt. Typischerweise
kombiniert ein Zweistufen-Doherty-Verstärker vier Vorrichtungen, welche
zusammen Leistungskombinierer mit Gleichaufteilungskombinierer am Eingang
und Ausgang der beiden einzelnen Doherty-Verstärker erfordert hätten. Mittels
der vorliegenden Erfindung wird die erfolgreiche Leistungskombination
von vier aktiven Bauteilen ohne den Einsatz eines Leistungskombinierers,
um zwei einzelne Doherty-Verstärker
miteinander zu verknüpfen,
erzielt, so dass Schaltungsverluste vermieden werden, welche bei
passiven Leistungskombinierer auftreten.
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Zusätzlich bringt
die vorliegende Erfindung die Initialisierung jedes jeweiligen Leistungskombinationsbetriebes
derart in eine Reihenfolge, so dass im Vergleich zum Stand der Technik
der Betriebsbereich, welcher durch die aktiven Bauteile erzielbar
ist, auf einen hohen Wirkungsgrad hin optimiert und verbessert wird.
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Somit
wird eine Leistungsverstärkerschaltung
zum Verstärken
von Signalen offenbart, welche einen ersten Trägerverstärker und einen zweiten Trägerverstärker und
einen Spitzenverstärker
aufweist. Ferner ist ein Verfahren zum Verstärken von Signalen mit einem
Spektrum von Eingangssignalpegeln offenbart worden, mit dem der
Gesamtwirkungsgrad eines Leistungsverstärkers verbessert wird.
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Die
vorangegangene Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen
zeigt somit vollständig das
allgemeine Konzept der Erfindung, welches für unterschiedliche Anwendungen
zu derartigen spezifischen Ausführungsformen
durch Einsatz bekannten Wissens von anderen leicht modifiziert und/oder
adaptiert werden kann, ohne das typische Konzept zu verlassen, und
daher sollten und sind solche Adaptionen und Modifikationen vorgesehen,
um innerhalb des Verständnisses
und des Bereiches von Äquivalenten
der offenbarten Ausführungsformen
umfasst zu werden.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Ausdrucksweise oder die Terminologie,
welche hier verwendet wird, zu Zwecken der Beschreibung verwendet
wird und nicht begrenzt ist. Demgemäß ist die Erfindung vorgesehen,
alle solche Al ternativen, Modifikationen, Äquivalente und Variationen
zu umfassen, welche innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche liegen.