DE3733374A1 - Verfahren und vorrichtung zur linearen verstaerkung von signalen in satellitentranspondern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur linearen Verstärkung von Signalen insbesondere in Satellitentranspondern.

Unabhängig vom Arbeitspunkt haben alle konventionellen Linearverstärker einen Wirkungsgradabfall bei Teilaussteuerung. Unter konventionellen Verstärkern sind hier solche Verstärker gemeint, deren Hauptversorgungs­ spannung oder deren Last nicht dynamisch in Abhängigkeit von der momen­ tanen Ausgangsleistung gesteuert werden.

Unter allgemeinen Gesichtspunkten läßt sich zeigen, daß der Wirkungsgrad nicht besser als proportional zur Spannung der Aussteuerung sein kann. Da praktisch alle Verstärker diese Eigenschaft haben, spezifiziert man die Verstärker meistens bei Vollaussteuerung und nimmt den Wirkungsgrad­ abfall bei Teilaussteuerung als naturgegeben hin.

Linearverstärker in Satellitentranspondern müssen so ausgesteuert werden, daß die relativ seltenen Spitzenwerte, die durch vektorielle Additon der einzelnen Spitzenwerte, die durch vektorielle Addition der einzelnen Benutzersignale (SCPC) im Transponder entstehen, noch unver­ zerrt übertragen werden können. Dadurch wird aber zwangsläufig die mittlere Aussteuerung des Transponder 4 bis 8 dB kleiner als der Voll­ aussteuerungswert. Diese Erscheinung wird mit "Backoff" bezeichnet und führt dazu, daß der Systemwirkungsgrad des Tranponders 1,5 bis dreimal schlechter wird, als die Zahlen bei Vollaussteuerung vermuten lassen.

Die Ursachen des Wirkungsgradabfalls sind folgende:

Linearverstärker werden mit einer konstanten Versorgungsspannung am Kollektor betrieben. Der Verstärker ist so ausgelegt, daß bei Vollaus­ steuerung der Ausgangstransistor (oder die Röhre) optimal angepaßt ist.

Bei Teilaussteuerung (z.B. halbe Ausgangsspannung) ist die Ausgangslei­ stung auf ein Viertel (P=U ²/R) zurückgegangen. Da die Betriebsspannung des Verstärkers konstant ist, ist die Gleichstromeingangsleistung (halber Strom) nur auf die Hälfte zurückgegangen. Das Problem ist also, daß die Anpassung des Verstärkers bei halber Ansteuerung nicht mehr stimmt. Tatsächlich müßte auch die Versorgungsspannung halbiert werden, um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten.

Das gleiche Problem besteht auch bei amplitudenmodulierten Rundfunksen­ dern. Die dort erarbeiteten Verfahren sind daher im Prinzip bei Satel­ litentranspondern anwendbar. Allerdings hat bisher nur die AMSAT solche Verfahren im Weltraum eingesetzt. Grundsätzlich gibt es zwei Wege, den Wirkungsgrad konstant zu halten, nämlich einerseits die Kollektorspan­ nungsmodulation des Sendertransistors in Abhängigkeit von der Aussteue­ rung und andererseits die Verwendung von zwei Verstärkerkanälen, die in geeignete Ausgangsnetzwerke arbeiten, so daß die Lastimpedanz am Ver­ stärker variabel wird und bei allen Lasten die optimale Anpassung erhalten bleibt.

Beide Verfahren sind in der Rundfunktechnik eingesetzt worden und mit entsprechenden Modifikationen auch in AWSAT-Satelliten verwendet worden, wie aus
(1) A new high Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves, W.H. Doherty, Proc. IRE, Vol. 24, Sept. 1936, pp 1163
(2) High Power Outphasing Modulation, H. Chireix, Proc. Ire, Vol. 23, Nov. 1935, pp 1370
(3) Instruction Manual of the VP-100 Transmitter, Gates Radio Corp., Quincy, I 11. USA
(4) Lineare Nachrichtentransponder durch nichtlineare Signalzerlegung, K. Weinzer, Inaugural-Dissertation, Marburg 1973 bekannt ist.

Besondere Probleme treten aber bei bei L-Band-Transpondern auf. Im L-Band (1500 bis 1700 MHz) liegen die derzeit mit Halbleitern erzielba­ ren Ausgangsleistungen zwischen 20 und 40 W PEP (Peak Envelope Power= Spitzenleisung). Bei den meisten Transponderanwendungen werden aller­ dings höhere Ausgangsleistungen benötigt, so daß eine Parallelschaltung einer größeren Zahl von Verstärkermodulen unvermeidlich ist. Die dabei benötigten Anpaßmittel (Hybriden) schließen allerdings aus, daß das Prinzip der variablen Lastimpedanz benutzt werden kann. Eine Variation der Kollektorspannung z.B. mit einem Pulsbreitenmodulator scheitert in der Regel daran, daß die Verstärkerbandbreite einige wenige MHz kaum überschreiten kann. Der Modulator muß nämlich etwa die dreifache Trans­ ponderbandbreite verarbeiten können.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art und Vorrichtungen zu dessen Durchführung zu schaffen, das es ermöglicht, den Wirkungsgrad von Linearverstärkern insbesondere für Satellitentrans­ ponder entscheidend zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß wenigstens drei Verstärker durch Impedanzinverter in die gemeinsame Last arbeiten.

Besonders vorteilhaft ist, wenn daß die Zahl der Verstärker ungerade ist.

Das N-Kanal-Verfahren gemäß der Erfindung geht das eingangs geschilderte Problem an der Wurzel an: der Wirkungsgradabfall bei der im Transponder normalen Teilaussteuerung wird nicht als unabwendbar angesehen. Es wird vielmehr auf der Systemebene dafür gesorgt, daß der Wirkungsgrad bei Teilaussteuerung praktisch konstant bleibt und somit der Transponder­ wirkungsgrad um einen Faktor von 1,5 bis 3 steigt.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der Beschreibung, in der im folgenden anhand der Zeichnung Ausfüh­ rungsbeispiele erörtert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Leistungen und Wirkungsgrad typischer Linearverstärker (Stand der Technik),

Fig. 2a-d schematisch die Outphasing-Modulation nach dem Stand der Technik mit zwei Verstärkern,

Fig. 3a-d einen N-Kanal-Verstärker gemäß der Erfindung,

Fig. 4a-d einen 3-Kanal-Verstärker gemäß der Erfindung,

Fig. 1 zeigt schematisch die bekannten grundsätzlichen Verhältnisse bei typischen Linearverstärkern. Wie eingangs erläutert, läßt sich unter allgemeinen Gesichtspunkten zeigen, daß der Wirkungsgrad nicht besser als proportional zur Spannung der Aussteuerung sein kann. Da praktisch alle Verstärker diese Eigenschaft haben, spezifiziert man die Verstärker meistens bei Vollaussteuerung und nimmt den Wirkungsgradabfall bei Teilaussteuerung hin.

Fig. 2 a-d zeigt schematisch die Outphasing-Modulation nach dem Stand der Technik mit zwei Verstärkern. Ausgangspunkt der Erfindung ist, daß bei Verfahren mit zwei Verstärkerkanälen und Phasensteuerung nach Abb. 2 bzw. (2) der Kollektorstromverlauf annähernd eine quadratische Funktion der Aussteuerung wird und damit das Amplitudenspektrum auf in etwa die Transponderbandbreite beschränkt bleibt. Dadurch eignen sich solche Verfahren besonders gut, wenn hohe Bandbreiten erzielt werden sollen. Allerdings ist durch die relativ hohen Blindstromanteile in den Verstärkern der Wirkungsgrad prinzipiell etwas schlechter als bei Kollektorspannungsvariation und es können nur zwei Transistoren mitein­ ander vereint werden, so daß die Ausgangsleistung nach wie vor beschränkt bleibt.

Gemäß Fig. 3a-d besteht nun die Erfindung darin, drei oder mehr Verstärker durch Impedanzinverter in die gemeinsame Last arbeiten zu lassen. Durch geeignete Ansteuerung der einzelnen Verstärker kommt eine lineare Transferfunktion zustande. Da die einzelnen Verstärker mit konstanter HF-Ausgangsspannung arbeiten, sind sie bei allen Aussteuerun­ gen optimal angepaßt. Bei einer ungeraden Anzahl von Verstärkern ist weiterhin ein Verstärker frei von Blindströmen, so daß sich ein besserer Wirkungsgrad als bei den älteren 2-kanaligen Verfahren ergibt. Die höhere Anzahl der Kanäle bedeutet auch eine entsprechend höhere Aus­ gangsleistung.

Bei drei Kanälen nach Fig. 4a-d ergibt sich gegenüber einem klassi­ schen Doherty- oder Chireix-Sender (( 1), (2)) die 1,5-fache Ausgangslei­ stung. Der Wirkungsgrad ist auch erheblich verbessert, weil einer der drei Kanäle keinen Blindstrom aufbringen muß. Diese Lösung bietet sich an, wenn drei Transistoren genügend Leistung für den Transponder erzeu­ gen können. Die Kollektorströme enthalten große Anteile, die vom Quadrat der Aussteuerung abhängen, so daß das Verfahren inhärent breitbandiger ist als konventionelle Linearverstärker. Das Amplitudenspektrum der Aussteuerung ist nicht beschränkt und enthält bis zur dreifachen Ver­ stärkerbandbreite hohe Anteile; das Spektrum vom Quadrat der Aussteue­ rung ist beschränkt und enthält nur Anteile bis zur Transponderband­ breite.

Der erfindungsgemäße N-Kanal-Linearverstärker gestattet Transponder mit sehr hohen Frequenzen und sehr hohen Bandbreiten zu bauen, deren Wir­ kungsgrad 1.5 bis dreimal besser ist als mit konventionellen Linearver­ stärkern. Da die Leistung von mindesten drei Transistoren kombiniert wird, ergibt sich auch kaum ein Mehraufwand des Verfahrens gegenüber anderen Techniken, bei denen die Leistung mehrerer Transistoren kombi­ niert werden muß. Der hohe Wirkungsgrad führt zu einem "kalten" Betrieb der Transistoren, so daß sehr hohe Zuverlässigkeiten erwartet werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zur linearen Verstärkung von Signalen insbesondere in Satellitentranspondern, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Verstärker durch Impedanzinverter in die gemeinsame Last arbeiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade Zahl von Verstärkern zusammengeschaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Verstärker zusammengeschaltet werden.

4. Linearverstärker insbesondere für Satellitentransponder, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Verstärker über Impedanzin­ verter zusammengeschlossen sind.