Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Vorverzerrungslinearisierer für Leistungsverstärker unter Verwendung einer Brückentopologie.

Nachrichtentechnische Nutzlasten von Raumfahrtgeräten sollen bei möglichst kleiner Gerätemasse große Informationsmengen übertragen können. Da neuartige, effiziente Modulationsverfahren und Mehrträgerverfahren zunehmend große Bandbreiten erfordern, sind breitbandige Linearisierer wichtige Bausteine für Sendeeinheiten, die für Trägerfrequenzen und verschiedenste Modulationsverfahren transparent sind.

Leistungverstärker weisen ein nichtlineares Verhalten auf, das in einem Fertigungslos unterschiedlich ausfällt und stark von der Frequenz abhängt. Linearisiererbrücken nach dem derzeitigen Stand der Technik erlauben lediglich eine Anpassung ihrer nichtlinearen Kompensation für einen Teil der Betriebsfrequenzbandbreite, für die übrigen Frequenzen innerhalb des Nutzbandes hingegen entspricht die Linearisierung nicht dem geforderten Verlauf.

Eine Linearisiererbrücke beruht auf der vektoriellen Addition eines linearen, d.h. leistungsunabhängigen, und eines nichtlinearen, d.h. eines verzerrungsbehafteten Signals. Die vektorielle Aufteilung und Addition der Signale der beiden Zweige findet z.B. in 90°-Hybriden am Eingang bzw. Ausgang der Schaltung statt.

Im nichtlinearen Zweig durchläuft das Signal zunächst den Verzerrungsgenerator. Mit zunehmender Signalleistung weicht das Signal am Verzerrungsgeneratorausgang in Amplitude und Phase vom Klein signalverhalten ab. Dabei erfährt meistens sowohl die Amplitude als auch die Phase eine Kompression. Mit einem einstellbaren Phasenschieber beispielsweise im linearen Zweig oder in beiden Zweigen kann bei Kleinsignalaussteuerung die erforderliche relative Phasenverschiebung zwischen linearem und nichtlinearem Zweig eingestellt werden.

Im nichtlinearen Zweig oder in beiden Zweigen erlaubt ein einstellbares Dämpfungsglied die Einstellung einer relativen Dämpfung zwischen nichtlinearem und linearem Zweig.

Bei Frequenzen im zweistelligen GHz-Bereich hängt das nichtlineare Verhalten von Leistungsverstärkern stark von der Frequenz ab. Parasitäre Effekte innerhalb der Linearisiererbrücke erschweren die Kontrolle des Frequenzgangs des Linearisierers. Im Prinzip ist ein Abgleich auf die gewünschten Eigenschaften nur in einem eingeschränkten Frequenzbereich möglich. In der DE 195 28 844 Cl wird ein „Verfahren und Vorrichtung zur Linearisierung der Verstärkungs- und Phasengänge von Wanderfeldröhren und Halbleiterverstärkern bei unterschiedlichen Leistungspegeln" offenbart. Dabei wird das Signal auf zwei Zweige aufgeteilt und wieder zu einem Ausgangssignal zusammengefügt, wobei das Signal auf zwei nichtlineare Teilnetzwerke mit komprimierendem Verstärkungsverhalten aufgeteilt wird und durch entsprechend dem Signalpegel unterschiedlichen Reflexionsverhalten an zwei Toren eine Verstärkungskompression bzw. eine Verstärkungsexpansion der Teilsignale erzeugt. Dabei wird das nichtlineare, verstärkungsexpandierte Signal und das verstärkungskomprimierte Singal mit einem addierenden Netzwerk zum Ausgangssignal zusammengefügt.

Ebenfalls bekannt ist ein „Rundfunkübertragungssystem mit verteilter Korrektur" (DE 600 06 102 T2) zur Kompensation von Verzerrungen in einem digitalen Übertragungssystem. Dabei wird ein Übertragungssystem mit einem Signalweg bereitgestellt, wobei eine erste Komponente eine Vielzahl von Komponenten, die sich im Signalweg befinden, das Informationssignal nichtlinearen Verzerrungsverschiebungen unterwirft, und eine weitere Vielzahl von Komponenten aus dritten und vierten Komponenten der Modifizierung des Informationssignals dienen, um die Verzerrungen in einer inversen Reihenfolge zu der ersten Vielzahl von Komponenten zu kompensieren. Dabei weist die erste Komponente einen Leistungsverstärker, die zweite ein Vorverzerrungsfilter, die dritte Komponente einen nichtlinearen Korrigierer und die vierte Komponente einen linearen Entzerrer auf. Die fünfte Komponente umfasst einen Filter und die sechste einen zweiten linearen Entzerrer. Die Erfindung und ihre Vorteile

Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dahingegen den Vorteil, dass im linearen und nichtlinearen Brückenzweig eine Equalizerstufe angeordnet ist. Diese Equalizerstufe dient dem Abgleich des Frequenzgangs der komplexen Expansion der Brücke. Die Equalizerstufen im linearen und nichtlinearen Brückenzweig fügen einen genau definierten Amplituden- und Phasengang ein, der parasitäre Effekte z.B. durch Streukapazitäten und Bondinduktivitäten kompensiert und breitbandig zur gewünschten Expansion hinsichtlich Amplitude und Phase am Ausgang der Linearisiererschaltung führt.

Die Equalizer fügen einstellbare Übertragungsfunktionen in den linearen und nichtlinearen Brückenzweig ein, so dass der Linearisierer den individuellen, innerhalb eines Fertigungsloses variierenden nichtlinearen Frequenzgang eines Leistungsverstärkers kompensiert. So kann beispielsweise eine über der Frequenz ansteigende Phasenexpansion bei konstanter Amplitudenexpansion eingestellt werden. Ebenso ist aber z.B. auch eine über der Frequenz ansteigende Amplitudenexpansion bei gleichzeitig zunehmender Phasenkompression erreichbar. Die Equalizerstufe erlaubt somit den präzisen Abgleich der Brücke auf die Charakteristik des Leistungsverstärkers.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Equalizerstufe sowohl als passive Schaltung als auch einstellbar mit aktiven Elementen wie z. B. Dioden und Transistoren realisiert werden.

Der Equalizerblock in dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist entscheidend für die Realisierung großer Nutzbandbreiten, die aus Kosten- und im Raumfahrtbereich aus Gewichts- und Redundanzgründen erwünscht sind. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Linearisiererbrücke gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 2 ist die Addition der Signalvektoren gem. dem St. d. T. dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Isokonturlinien der Übertragungsfunktion nach Betrag und Phase gem. St. d. T.

In Fig. 4 ist der Betrag der Übertragungsfunktion des Linearisierers als Funktion der Eingangsleistung gem. St. d. T.

Fig. 5 zeigt die Phase der Übertragungsfunktion des Linearisierers als Funktion der Eingangsleistung gem. St. d. T.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild der Linearisiererbrücke gem. der Erfindung.

In Fig. 7 ist der Frequenzgang der Amplituden- und Phasenexpansion der Linearisiererbrücke bei maximaler Eingangsleistung dargestellt.

Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild der Linearisiererbrücke gem. Erfindung in einer symmetrischen Ausgestaltung

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Linearisiererbrücke gem. dem St .d. T. mit dem 90°-Hybrid 1 am Eingang, dem Phasenschieber 2 sowie dem 90°- Hybrid 9 am Ausgang der Schaltung. Dabei findet die vektorielle Addition des linearen, d. h. leistungsabhängigen Signals statt. Desweiteren ist im nichtlinearen, d. h. verzerrungsbehafteten Signal, ein Verzerrungsgenerator 3 sowie ein Dämpfungsglied 6 zwischengeschaltet.

Im nichtlinearen Zweig durchläuft dabei das Signal zunächst den Verzerrungsgenerator 3. Mit zunehmender Signalleistung weicht dabei das Signal am Verzerrungsgeneratorausgang in Amplitude und Phase vom Kleinsignalverhalten ab. Die Amplitude erfährt dabei meistens eine Kompression wie in Fig. 1 angedeutet. Mit einem einstellbaren Phasenschieber 2 im linearen Zweig kann bei Klein Signalaussteuerung die erforderliche Laufzeitdifferenz zwischen beiden Zeigen erreicht werden.

Im nichtlinearen Zweig erlaubt ein einstellbares Dämpfungsglied 6 die Einstellung einer relativen Dämpfung zwischen nichtlinearem und linearem Zweig mit Hilfe eines Stellstroms.

In Fig. 2 ist die Addition der Signalvektoren aus dem linearen und nichtlinearen Zweig verdeutlicht. a_out bezeichnet das Ausgangssignal. Die Darstellung normiert die Zeigerlängen auf das Signal im linearen Zweig. Im Vergleich zum Signal im linearen Zweig nimmt in diesem Ausführungsbeispiel das Signal im nichtlinearen Zweig betragsmäßig mit zunehmender Eingangsleistung ab, die Phase dreht im Uhrzeigersinn, d. h. das nichtlineare Element verursacht eine Kompression von Amplitude und Phase. Dadurch nehmen Betrag und Phase des Linearisiererausgangssignals im Vergleich zum Klein signalbetrieb zu.

In Fig. 3 sind die Isokonturlinien der Durchgangsdämpfung und der Phasenverschiebung des Linearisiererausgangssignals nach Betrag und Phase veranschaulicht. Die Endpunkte bei minimaler und maximaler Eingangsleistung sind als Kreuze markiert. Dabei entspricht das + dem Betrieb mit minimaler und das X dem Betrieb bei maximaler Eingangsleistung .

Fig. 3 zeigt, dass mit Variation der Leistung das Isokonturfeld durchschritten wird, so dass sich die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Expansionsverläufe nach Betrag und Phase ergeben. Dabei ist in Fig. 4 der Betrag der Übertragungsfunktion des Linearisierers als Funktion der Eingangsleistung dargestellt.

Fig. 5 zeigt die Phase der Übertragungsfunktion des Linearisierers als Funktion der Eingangsleistung.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild der Linearisiererbrücke nach der erfmdungsgemäßen Ausgestaltung mit der zusätzlichen Equalizerstufe im linearen und nichtlinearen Zweig. Diese Equalizerstufe ist von entscheidender Bedeutung für den Abgleich der Linearisiererbrücke. Sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Zweig fügt je ein Equalizer 4, 5 einen Frequenzgang in Bezug auf Amplitude und Phase ein. Dadurch können komplexe Übertragungsfunktionen in den beiden Brückenzweigen erzielt werden, die zur gewünschten Expansion hinsichtlich Amplitude und Phase am Ausgang der Linearisiererschaltung führen und parasitäre Effekte z. B. durch Streukapazitäten und Bondinduktivitäten gezielt kompensieren.

In Fig. 7 ist der Frequenzgang der Amplituden- und Phasenexpansion der Linearisiererbrücke bei maximaler Eingangsleistung im GHz-Bereich dargestellt. Leistungsverstärker haben eine frequenzabhängige Kompressionscharakteristik. Die geforderte Expansionscharakteristik einer typischen KU-Band TWT ist beispielhaft mit Geraden samt Toleranzbereich im Band von 10,7 bis 12,7 GHz markiert. Der Equalizer 4, 5 fügt einen einstellbaren Frequenzgang in das Übertragungsverhalten des linearen und nichtlinearen Zweigs ein, so dass der Linearisierer beispielsweise eine konstante Amplitudenexpansion und eine über der Frequenz ansteigende Phasenexpansion wie in Fig. 7 aufweist. Der Equalizer 4, 5 erlaubt somit den präzisen Abgleich der Brücke auf die Charakteristik des Leistungsverstärkers. Der Equalizer 4, 5 kann sowohl als passive Schaltung als auch einstellbar mit aktiven Elementen wie beispielsweise Dioden und Transistoren realisiert werden.

In Fig. 8 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, die im linearen und im nichtlinearen Zweig weitgehend symmetrisch aufgebaut ist. Im linearen Zweig befindet sich ein Phasenschieber 2c, der die Laufzeit durch den Verzerrungsgenerator 3 kompensiert. Je ein Dämpfungsglied 6a und 6b und je ein Phasenschieber 2a und 2b im linearen und nichtlinearen Zweig bilden einen differentiellen Phasenschieber bzw. ein differentielles Dämpfungsglied. Durch den symmetrischen Aufbau erfährt das Signal ähnliche Laufzeitverzögerungen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlenliste

1 90° Hybrid

2 Phasenschieber

2a Phasenschieber a, symmetrisches Ausführungsbeispiel

2b Phasenschieber b, symmetrisches Ausführungsbeispiel

2c Phasenschieber c, symmetrisches Ausführungsbeispiel

3 Verzerrungsgenerator

4 erster Equalizer

5 zweiter Equalizer

6 Dämpfungsglied

6a Dämpfungsglied a, symmetrisches Ausführungsbeispiel

6b Dämpfungsglied b, symmetrisches Ausführungsbeispiel

7 linearer Zweig

8 nichtlinearer Zweig

9 90° Hybrid