Beschreibung Lineare Verstärkeranordnung mit nichtlinearem Verstärkerele- ment für eine mobile Funkeinrichtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren des Wirkungsgrades einer Verstärkeranordnung mit einem nicht-linearen Leistungsverstärker in einer mobilen Funkeinrichtung.
Im Zuge der Weiterentwicklung des Mobilfunks vom GSM-Standard hin zu EDGE-bzw. weiter dann zum UMTS-Standard werden neue Anforderungen an die Übertragungseigenschaften von Leistung- verstärkern gestellt. Wurde bisher die Information als reine Phaseninformation (GMSK) übertragen, so wird jetzt zur Infor- mationsübertragung zusätzlich die Amplitude ausgewertet. Dar- aus resultieren verschärfte Anforderungen an die Übertra- gungseigenschaften der Leistungsverstärker. Zum einen muss das Verstärkerelement extrem linear sein und zum anderen müs- sen die Übertragungseigenschaften unabhängig gegenüber Tempe- raturänderungen und Betriebsspannungsschwankungen sein.
Dies ist jedoch in der Regel bei einem Transistor nicht gege- ben. Um dies zu erreichen sind daher Maßnahmen zur Minimie- rung linearer und nicht-linearer Verzerrungen erforderlich.
Dies kann zum Beispiel in Form einer Vorentzerrung im Basis- band oder Zwischenfrequenz ausgeführt werden oder in Form ei- nes geschlossenen Kreises, wie zum Beispiel eines Polar- Loops, realisiert werden. In jedem Fall ist bei solchen An- ordnungen ein erheblicher Abgleich-und/oder Schaltungsauf- wand erforderlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine effiziente und kosteneffektive Verstärkeranordnung vorzu- schlagen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Er- findung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass in einer Verstärkeranordnung mit einem nicht-linearen Leistungsverstärker (LV) und zwei im Gegentakt zueinander arbeitenden nachfolgenden Phasenschie- bern (PS) jeweils ein zum Eingangssignal phasenverschobenes Signal erzeugt wird. Dabei wird nach den Phasenschiebern Ver- lustleistung an einem passiven Bauelement umgesetzt. Das pas- sive Bauelement ist mit den Ausgängen der Phasenschieber ver- bunden. Ein passives Bauelement kann zum Beispiel ein Last- ausgleichswiderstand oder ein Symmetrieübertrager mit an- schließender Gleichrichteranordnung sein. Hinter dem Leis- tungsverstärker wird hierfür das amplitudenmodulierte Signal in zwei gleich große Teilsignale bzw. Teilleistungen aufge- teilt und über zwei im Gegentakt arbeitende Phasenschieber geführt. Eine vorteilhafte Ausführungsform stellt die Verwen- dung eines Symmetrieübertragers als Bauelement dar. Die dabei im Symmetrieübertrager ausgekoppelte Spannung wird an einen Gleichrichter weitergeleitet und der vom Gleichrichter abge- gebene Gleichstrom einer Versorgungseinheit als Ladestrom zu- geführt. Ein Vorteil dieser Verstärkeranordnung ist, dass der Wirkungsgrad dieser Anordnung entscheidend verbessert werden kann. Des weiteren sind das Verfahren und die Vorrichtung sehr kosteneffektiv.
Die Erfindung wird anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Einzelnen zeigen
Figur 1 einen Leistungsverstärker mit nachfolgender Modulationszuführung und Lastausgleichswider- stand, Figur 2 eine Verstärkeranordnung zum Rückführen von elektrischer Energie an eine Versorgungsein- heit einer mobilen Funkeinrichtung.
Figur 1 zeigt eine Verstärkeranordnung zur Realisierung eines linearen Verstärkersystems mit nichtlinearen Verstärkerkompo- nenten. Einem Leistungsverstärker LV im C-Betrieb (praktisch realisierbarer Wirkungsgrad ca. 75%) werden zwei mit einem Modulationssignal steuerbare Phasenschieber PS nachgeschal- tet. Prinzipiell funktioniert die Schaltung mit jeder Art von Verstärkertyp (A, B oder C), jedoch wird der Wirkungsgrad bei einem anders als im C-Betrieb betriebenen Verstärker LV ver- schlechtert.
Hinter dem Leistungsverstärker LV wird das erzeugte Signal bzw. die Leistung PRF in zwei gleich große Teilsignale bzw.
Teilleistungen PRF 1 und PRF 2 aufgeteilt und diese Teilleis- tungen über die im Gegentakt arbeitenden Phasenschieber PS geführt. Entsprechend von Amplitudeninformationen wird die Leistung (RF) als Verlustleistung im Lastausgleichwiderstand LAW umgesetzt. Amplitudeninformationen sind dabei Hüllkurven- informationen. Hier besteht auch der wesentliche Nachteil dieser Schaltungsanordnung. Entsprechend dem Crest Faktor (Verhältnis von Spitzenleistung zu Mittelwertleistung) muss der C Leistungsverstärker LV für die zu übertragende Spitzen- leistung ausgelegt sein. Dies führt jedoch in einer solchen Schaltungsanordnung dazu, dass ein Großteil der erzeugten RF - Leistung PRF im Lastausgleichwiderstand LAW umgesetzt wird.
Figur 2 zeigt eine Verstärkeranordnung zum Rückführen von elektrischer Energie an eine Versorgungseinheit einer mobilen
Funkeinrichtung. Erkennbar ist wiederum der Leistungsverstär- ker LV aus Figur 1 im C-Betrieb mit nachfolgender Leistungs- aufteilung PRF 1 und PRF 2 und den steuerbaren Phasenschie- bern PS. Prinzipiell funktioniert die Schaltung mit jeder Art von Verstärkertyp (A, B oder C), jedoch wird der Wirkungsgrad bei einem anders als im C-Betrieb betriebenen Leistungsver- stärker LV verschlechtert. Entfallen ist der Lastausgleichwi- derstand LAW, der durch einen Symmetrieübertrager SÜ (Ballun) ersetzt wird. Des weiteren ist eine Gleichrichteranordnung GR mit Verbindung zur Gleichspannungsversorgungseinheit VE hin- zugekommen. Aufgabe dieser neu hinzugekommenen Schaltungsan- ordnung ist es, die bisher im Lastausgleichwiderstand LAW um- gesetzte Verlustleistung (HF) der Versorgungseinheit (Batte- <BR> <BR> rie, Netzteil, etc. ) einer mobilen Funkeinrichtung, einer Mo- bilstation für ein zellulares Mobilfunknetz als Gleichstrom wieder zuzuführen. Nach dem Leistungsverstärker LV werden die Teilleistungen PRF 1 und PRF 2 über die Phasenschieber PS ge- führt. Mit diesen Phasenschiebern PS wird die elektrische Länge bzw. die Durchlaufzeit der Teilleistungen PRF 1 und PRF 2 beeinflusst. So wird z. B. die Teilleistung PRF 1 im Pfad 1 durch den Phasenschieber PS erhöht, und die Durchlaufzeit im Pfad 2 durch den anderen Phasenschieber PS verringert (Gegen- takt). Vorstellbar ist dies durch zwei Vektoren, die vor dem Phasenschieber PS gleiche Phasenlage haben und nach dem Pha- senschieber PS unterschiedlich sind. Dadurch ergibt sich bei der Addition beider Teilvektoren vor und nach den Phasen- schiebern PS vom Betrag her ein unterschiedlich langer Sum- menvektor. Gesteuert werden die Phasenschieber PS durch ein Modulationssignal, das z. B. ein Audiosignal, ein Videosignal oder eine ähnliche Information sein kann. Das Modulationssig- nal kann aus dem Eingangssignal (Nutzsignal) ausgekoppelt werden. Es kann aber auch ein beliebiges Signal sein. Ist die Steuerspannung der Phasenschieber PS ungleich Null entsteht
an dem Symmetrieübertrager SÜ ein Spannungsabfall. Die Steu- erspannung entspricht dem Modulationssignal und ist somit dann Null, wenn die Modulationsspannung Null ist. Über den Symmetrieübertrager SÜ wird diese Spannung auf die Sekundär- seite des Übertragers SÜ übertragen und wird dort auf ein Po- tential referenziert. In diesem Beispiel ist dies mit einem Masse-Symbol dargestellt. Ein Bezug auf z. B. ein Batteriepo- tential ist aber auch jederzeit denkbar. Anschließend wird die Spannung mit einem Mehrwegegleichrichter gleichgerichtet und eine Siebung durchgeführt. Mit einem Mehrwegegleichrich- ter wird der größtmögliche Wirkungsgrad erreicht. Ein anderer Gleichrichter ist ebenso vorstellbar. Der sich einstellende Gleichstrom kann dann der Versorgungseinheit VE zugeführt werden. Um die Funktionalität der Gesamtschaltung zu gewähr- leisten ist es wichtig, dass die Eingangsimpedanz des Gleich- richters GR nahezu aussteuerungsunabhängig ist. Wenn die Ein- gangsimpedanz des Gleichrichters nicht konstant ist, werden nicht-lineare Verzerrungen erzeugt, welche die Funktion der Gesamtschaltung beeinflussen. Um alle Signalanteile verzer- rungsfrei zu übertragen, muss der C-Verstärker LV so ausge- legt sein, dass die maximal auftretenden Spitzenleistungen übertragen werden können. Dies bedeutet, dass der Verstärker LV mit einer konstanten Leistung läuft, die um den Crest Fak- tor über der am Ausgang gewünschten Mittelwertsleistung liegt. Bei heute üblichen Übertragungsverfahren liegt der Crest Faktor im Bereich 3dB bis 10dB. Wird der C-Verstärker LV für einen Crest Faktor von 10dB dimensioniert, so bedeutet dies bei der Anordnung mit Lastausgleichswiderstand LAW (Fi- gur 1), dass ca. 90 % der erzeugten Leistung im Lastaus- gleichwiderstand LAW als Verlustleistung umgesetzt werden würde. Mit der erweiterten Schaltung besteht nun die Möglich- keit diesen Verlustleistungsanteil (HF) aufzufangen und einer Versorgungseinheit VE als Ladestrom zuzuführen. Es wird also
eine HF (Verlustleistung)-DC (Gleichstrom) Wandlung durch- geführt.
