DE4122091A1

DE4122091A1 - H.F. generator circuit for medical short wave therapy appts. - has quartz oscillator, level regulator and two power amplifiers for level control via OR gate

Info

Publication number: DE4122091A1
Application number: DE19914122091
Authority: DE
Inventors: Michael Morgenstern; Ralph Raschendoerfer
Original assignee: Funkwerk Koepenick I A GmbH
Current assignee: MORGENSTERN, MICHAEL RASCHENDOERFER, RALPH, O-1170
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1991-07-01
Publication date: 1993-01-14

Abstract

The h.f. generator includes a ladder network of circuits comprising a quartz oscillator (3), a controllable level regulator (4), a driving stage (5), an output stage (6) and a transformation network (7). The latter is followed by two T-networks (1,2 and a power and mismatch detector (LFM). The latter supplies the voltage sum (v), the difference voltage (r) and the collector a.c. voltage of the output stage. The voltage sum (V) and difference voltage (R) are fed to an analogue processing unit (11). The rectified h.f. collector voltage controls a phase regulator (10). Two amplifiers (V1,V2) in the analogue processing unit working in the power loop control the operating level via an OR gate (8). ADVANTAGE - Efficient, high spectral purity, good control characteristics.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Hochfrequenzgenerator für medizinische Kurzwellentherapiegeräte.The invention relates to a circuit arrangement for a high frequency generator for medical Short wave therapy devices.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung findet Anwendung in Bereichen, in denen mittels Hochfrequenz Wärme erzeugt wird.The proposed circuit arrangement is used in Areas in which heat is generated using high frequency becomes.

Es ist Stand der Technik, medizinische Kurzwellentherapiegeräte mit Hochfrequenzleistungsgeneratoren auszustatten, die jeweils aus einer selbstschwingenden Röhrenstufe bestehen. Der Lastkreis ist aus Gründen sehr stark schwankender Lastimpedanzen lose an diese Röhrenstufe angekoppelt. Diese Röhrengeneratoren haben entscheidende Nachteile. Aufgrund der losen Kopplung müssen in den Transformationskreisen hohe Blindströme zur Übertragung der HF-Leistung fließen. Das führt zu schlechten Wirkungsgraden und großen Blindschaltelementen. Weiterhin sind selbstschwingende Röhrenstufen so frequenzstabil, daß das Industriefrequenzband 27, 12 Mz +/- 0,6% eingehalten werden kann. Jedoch muß mit Störungen in einzelnen oder mehreren CB-Funkkanälen aufgrund von Frequenzabweichungen innerhalb der +/- 0,6% gerechnet werden.It is state of the art to equip short-wave medical therapy devices with high-frequency power generators, each consisting of a self-oscillating tube stage. The load circuit is loosely coupled to this tube stage for reasons of very strongly fluctuating load impedances. These tube generators have major disadvantages. Due to the loose coupling, high reactive currents have to flow in the transformation circuits to transmit the RF power. This leads to poor efficiencies and large dummy switching elements. Furthermore, self-oscillating tube stages are so frequency stable that the industrial frequency band 27 , 12 Mz +/- 0.6% can be maintained. However, interference in one or more CB radio channels due to frequency deviations within the +/- 0.6% must be expected.

Des weiteren sind selbstschwingende Röhrenstufen in der Leistung sehr schwer über große Leistungsbereiche regelbar. Die Schwingungen können abreißen. Stand der Technik ist weiterhin, insbesondere kleine Leistungen einzustellen, indem eine Tastung mit voller Leistung erfolgt und die effektive Wärmeleistung über das Tastverhältnis eingestellt wird. Durch diese Tastung wird ein breites Spektrum erzeugt, was zu zusätzlichen Störungen auf CB-Funkkanälen führt.Furthermore, there are self-oscillating tube stages in the Performance very difficult to regulate over large performance ranges. The vibrations can break off. State of the art is continue to discontinue in particular small services by a full power keying takes place and the effective one Heat output set via the duty cycle becomes. This keying creates a wide range, which leads to additional interference on CB radio channels.

Weiterhin bekannt ist, auf dem Gebiet des Kurzwellensenderbaus volltransistorisierte Endstufen aufzubauen. Diese Endstufen müssen mit steigendem Verhältnis stehender Wellen - VSWR - am Ausgang in der Leistung zurückgeregelt werden. Bekannterweise wird zur Einhaltung der zulässigen Ströme und Spannungen die Ausgangsleistung proportional zum Kehrwert 1/VSWR rückgeregelt. Unter optimalen Arbeitsbedingungen werden nur etwa 50 bis 60% der eingespeisten Netzteilleistung in Hochfrequenzleistung umgesetzt. Bekannt ist auch, daß die Wärmeverluste trotz der Abregelung mit 1/VSWR bei konstanter Betriebsspannung Werte bis zum doppelten Wert der maximal erzeugbaren HF- Leistung betragen können.It is also known in the field of shortwave transmitter construction to build fully transistorized power amplifiers. These Power amplifiers must stand with increasing ratio Waves - VSWR - regulated in output at the output will. As is known, compliance is permitted Currents and voltages proportional to the output power Inverse value 1 / VSWR regulated back. Under optimal Working conditions are only around 50 to 60% of the fed power supply in high frequency power implemented. It is also known that the heat losses despite curtailment with 1 / VSWR at constant operating voltage Values up to twice the maximum RF frequency that can be generated Performance.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für den Aufbau eines Hochfrequenzgenerators zu schaffen, der unabhängig von Fehlanpassungen und von veränderlichen Aussteuerungen stets mit einem sehr guten Wirkungsgrad arbeitet, sich durch hohe spektrale Reinheit und gute Leistungsregeleigenschaften auszeichnet und eine Erhöhung der Frequenzkonstanz und die Vermeidung der losen Ankopplung der Last ermöglicht.The present invention has for its object a Circuit arrangement for building a To create high frequency generator that is independent of Mismatches and changing levels always works with very good efficiency, stands out through high spectral purity and good power control properties distinguished and an increase in frequency constancy and the Avoiding the loose coupling of the load.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verstärker als mehrstufiger Selektivverstärker arbeitet, der zur Erreichung einer hohen Frequenzkonstanz von einem Quarzgenerator angesteuert wird. Am Eingang des Verstärkers ist ein Pegelregler angeordnet, der von den Überwachungsregelgliedern gestellt wird. Am Endstufenausgang ist eine übliche, zweistufige Transformationsschaltung angeordnet, die den Transistorarbeitswiderstand auf den Ausgangswellenwiderstand von 50 Ohm hochtransformiert. Nachfolgend sind drei wesentliche Schaltungsgruppen in Kette geschaltet, eine spezielle Saugkreisanordnung zum Absenken der 1. Oberwelle, ein spezielles, überbrücktes T-Glied zum Verhindern von parasitären Schwingungen und ein bekannter Leistungs- und Fehlanpassungsmesser - LFM.The object is achieved according to the invention in that that the amplifier as a multi-stage selective amplifier works to achieve high frequency consistency is controlled by a quartz generator. At the entrance of the A level control is arranged by the amplifier Monitoring control elements is provided. At the Power stage output is a common, two-stage transformation circuit arranged that the transistor load resistor to the output impedance of 50 ohms transformed up. Below are three main ones Circuit groups connected in chain, a special suction circuit arrangement to lower the 1st harmonic special, bridged T-link to prevent parasitic vibrations and a known power and Mismatch Meter - LFM.

Die Spannungen des LFM, die der vorlaufenden und rücklaufenden Ausgangswelle proportional sind, werden einem Analogrechenwert zugeführt. Dieses Analogrechenwerk enthält Addierer, Subtrahierer, Multiplizierer und Verstärker. Entsprechend der Rechenwerte wird der Pegelregler gestellt. Zur Verlustleistungsreduzierung ist eine spezielle Netzregelschaltung integriert, die nur soviel Endstufengleichspannung bereitstellt, wie erforderlich. Das Maß dafür ist die Hochfrequenzwechselspannung des Endstufentransistors.The tensions of the LFM that of the leading and returning output shaft are proportional to one Analog arithmetic value supplied. This analog arithmetic contains Adders, subtractors, multipliers and amplifiers. The level controller is based on the calculated values posed. To reduce power loss is one special network control circuit integrated that only so much Provides power stage DC voltage as required. The The measure for this is the high-frequency alternating voltage of the Power transistor.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on one Embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Fig. 1 shows the circuit arrangement according to the invention

Fig. 2 eine konventionelle Transformationsschaltung Fig. 2 shows a conventional transformation circuit

Fig. 3 ein T-Glied Fig. 3 is a T-link

Fig. 4 ein überbrücktes T-Glied Fig. 4 is a bridged T-link

Fig. 5 Grundprinzip der analogen ODER-Verknüpfung Fig. 5 basic principle of the analog OR operation

Der gesamte Verstärkerzug besteht aus einer Kettenschaltung der Grundschaltungen: Quarzoszillator 3, Pegelregler 4, Treiberstufe 5, Endstufe 6, Transformationsschaltung 7, T-Glied 1, T-Glied 2 und dem Leistungs- und Fehlanpassungsmesser LFM. Aus diesem Verstärkungstrakt werden drei Meßgrößen entnommen. Das sich die Summenspannung V und die Differenzspannung R des LFM und die gleichgerichtete Kollektorwechselspannung des Endstufentransistors. Die Summenspannung V ist der vorlaufenden und die Differenzspannung R der rücklaufenden Welle proportional. Als Regelgrößen gehen die Endstufenversorgungsspannung und die Pegelsteuerspannung in diese Kette ein. Die Regelschleife für die Leistung besteht aus einem Analogrechenwerk 11 und einer Analog wirkenden ODER-Verknüpfung 8. Je nach Ausgangsleistung und Ausgangsfehlanpassung übernimmt der Verstärker V1 oder der Verstärker V2 die Pegelsteuerung. Über V1 wird die Ausgangsleistung konstant und streng proportional zur Eingangsspannung gehalten, solange die maximale Kabelspannung auf der Ausgangsleitung kleiner ist als bei maximaler Leistung am Nennwellenwiderstand 50 Ohm. Im Analogrechenwerk 11 wird die Summe und Differenz der beiden Meßspannungen des LFM gebildet, wobei die Summe ein Maß für die maximale Kabelspannung ist. Übersteigt diese Summe einen vorgegebenen Referenzwert, so wird der Verstärker V2 aktiv und übernimmt die Pegelsteuerung. Das Ausgangssignal von V1 wird wegen der ODER-Verknüpfung 8 der beiden Ausgangssignale von V1 und V2 in diesem Zustand nicht wirksam. Die Ausgangsleistung nimmt einen Wert an, der proportional zum Kehrwert des Stehwellenverhältnisses ist. Das Produkt aus der im Analogrechenwerk 11 gebildeten Summen- und Differenzspannung (V+R und V-R) ist der Differenz aus vorlaufender und rücklaufender Leistungswelle proportional und damit der real abgegebenen Wirkleistung am HF-Ausgang.The entire amplifier train consists of a chain connection of the basic circuits: crystal oscillator 3 , level controller 4 , driver stage 5 , output stage 6 , transformation circuit 7 , T-link 1 , T-link 2 and the power and mismatch meter LFM. Three measured variables are taken from this reinforcement tract. That is the sum voltage V and the differential voltage R of the LFM and the rectified AC voltage of the output stage transistor. The total voltage V is proportional to the leading and the differential voltage R of the returning shaft. The output stage supply voltage and the level control voltage are included in this chain as control variables. The control loop for the power consists of an analog arithmetic unit 11 and an analog OR gate 8 . Depending on the output power and output mismatch, amplifier V 1 or amplifier V 2 takes over the level control. Via V 1 , the output power is kept constant and strictly proportional to the input voltage, as long as the maximum cable voltage on the output line is lower than at maximum power at the nominal impedance of 50 ohms. The sum and difference of the two measurement voltages of the LFM are formed in the analog arithmetic unit 11 , the sum being a measure of the maximum cable voltage. If this sum exceeds a predetermined reference value, the amplifier V 2 becomes active and takes over the level control. The output signal from V 1 is not effective in this state because of the OR operation 8 of the two output signals from V 1 and V 2 . The output power takes on a value that is proportional to the reciprocal of the standing wave ratio. The product of the total and differential voltage (V + R and VR) formed in the analog arithmetic unit 11 is proportional to the difference between the leading and the retracting power waves and thus the real power output at the RF output.

Diese Regelanordnung hat einen entscheidenden Vorteil. Wenn über die Eingangsspannung die maximal mögliche Ausgangsleistung abgefordert wird, so stellt sich automatisch eine Leistung ein, die proportional zum Kehrwert des Stehwellenverhältnisses ist. Werden jedoch nur kleine bis mittlere Leistungen benötigt, so wird die Ausgangsleistung in weiten Fehlanpassungsbereichen konstant gehalten und erst wenn so hohe Fehlanpassungen erreicht werden, daß die angeforderte Leistung den Wert von P_max/VSWR übersteigt, erfolgt die Reduzierung der Leistung. Die Folge ist, daß die Anpassung des Lastkreises an den 50-Ohm- Verstärkerausgang nur bei sehr hohen, geforderten Leistungen exakt sein muß, und je kleiner die erforderliche Leistung ist, desto ungenauer braucht die Abstimmung zu erfolgen. Die Leistung bleibt konstant. Damit kann erheblich Abstimmaufwand gespart werden. This control arrangement has a decisive advantage. If the maximum possible output power is requested via the input voltage, a power is automatically set that is proportional to the reciprocal of the standing wave ratio. However, if only small to medium powers are required, the output power is kept constant over wide mismatch ranges and only when the mismatches are so high that the requested power exceeds the value of P _max / VSWR is the power reduced. The result is that the adaptation of the load circuit to the 50-ohm amplifier output only has to be exact at very high, required powers, and the smaller the required power, the less precise the tuning needs to be. The performance remains constant. This can save considerable coordination effort.

Die Regelschleife für die Endstufenbetriebsspannung besteht aus einem Gleichrichter 9, der die Kollektorwechselspannung gleichrichtet und diese einem steuerbaren Phasenanschnittregler 10, der in der Betriebsspannungszuführung der Endstufe 6 liegt, zuführt. Diese Regelschleife behebt zwei entscheidende, physikalisch bedingte Mängel einer Hochleistungsendstufe. Erstens wird der Wirkungsgrad über der Aussteuerung bei Nennlast am Ausgang nahezu konstant gehalten. Entlang eines Fehlanpassungskreises erreicht der Wirkungsgrad bei konstanter Ausgangsleistung teilweise bessere und teilweise schlechtere Werte als bei Nennlast. Überall dort, wo schlechtere Werte erreicht werden, setzt die Wirkung dieser vorgeschlagenen Regelschleife ein und bringt erhebliche Verbesserungen. Infolgedessen können derartige Endstufen mit weniger Aufwand an Transistoren realisiert werden. Die thermische Belastung wird deutlich reduziert.The control loop for the output stage operating voltage consists of a rectifier 9 , which rectifies the collector alternating voltage and supplies it to a controllable phase gating regulator 10 , which is located in the operating voltage supply of the output stage 6 . This control loop eliminates two crucial, physically related defects in a high-performance output stage. First, the efficiency is kept almost constant over the modulation at the nominal load at the output. Along a mismatch circuit, the efficiency at constant output power sometimes achieves better and sometimes worse values than at nominal load. Wherever worse values are achieved, the effect of this proposed control loop begins and brings significant improvements. As a result, such output stages can be implemented with less transistors. The thermal load is significantly reduced.

In Fig. 2 ist eine konventionelle Transformationsschaltung dargestellt. Sie transformiert stufenweise den niedrigen Arbeitswiderstand der Endstufe auf 50 Ohm.In FIG. 2, a conventional transformation circuit is shown. It gradually transforms the low resistance of the power amplifier to 50 ohms.

In Fig. 3 ist ein T-Glied dargestellt. Es enthält im Querzweig einen auf die erste Oberwelle abgestimmten Saugkreis. Die beiden im Längszweig liegenden Spulen dienen der Wellenwiderstandsanpassung bei der Nennfrequenz. Die drei Spulen haben identische Induktivitätswerte.In Fig. 3 a T-link is shown. In the transverse branch, it contains a suction circuit that is matched to the first harmonic. The two coils in the longitudinal branch are used to adjust the impedance at the nominal frequency. The three coils have identical inductance values.

In Fig. 4 ist ein überbrücktes T-Glied dargestellt. Es enthält im Längszweig einen Serienschwingkreis hoher Güte für die Nennfrequenz und im Querzweig einen Parallelschwingkreis für die Nennfrequenz. Die beiden im Längszweig liegenden Widerstände haben Wellenwiderstandswert und werden vom Saugkreis überbrückt. Sie können relativ klein dimensioniert werden, da sie wegen der Anordnung der Kettenschaltung kaum noch mit Oberwellenleistung belastet werden. Alle Blindschaltelemente des überbrückten T-Gliedes haben auf der Nennfrequenz Reaktanzwiderstände von ebenfalls 50 Ohm. Durch die Kettenschaltung der Grundschaltungen gemäß Fig. 2 bis Fig. 4 wird eine sehr gute Oberwellensiebung erreicht. Gleichzeitig findet die Endstufe auf allen anderen Frequenzen als der Nennfrequenz selbst dann noch niederohmige Arbeitswiderstände, wenn am HF-Ausgang beliebige Blindlasten angeschlossen sind. Durch diese Anordnung werden äußerst wirkungsvoll parasitäre Eigenschwingungen unterdrückt.In Fig. 4 a bridged T-link is shown. It contains a series resonant circuit of high quality for the nominal frequency in the longitudinal branch and a parallel resonant circuit for the nominal frequency in the transverse branch. The two resistors in the longitudinal branch have wave impedance values and are bridged by the suction circuit. They can be dimensioned relatively small because they are hardly loaded with harmonic power due to the arrangement of the derailleur. All dummy switching elements of the bridged T-element have reactance resistances of 50 ohms at the nominal frequency. By the chain circuit of the basic circuits shown in FIG. 2 to FIG. 4 a very good Oberwellensiebung is achieved. At the same time, the power amplifier finds low-resistance resistances at all frequencies other than the nominal frequency even if any reactive loads are connected to the RF output. This arrangement suppresses parasitic natural vibrations extremely effectively.

Claims

1. Circuit arrangement for a high-frequency generator for medical short-wave therapy devices, characterized in that the chain circuit, consisting of quartz oscillator ( 3 ), level controller ( 4 ), driver stage ( 5 ), output stage ( 6 ) and power and mismatch meter (LFM) with between output stage ( 6 ) and power and mismatch meter (LFM) interposed transformation circuit ( 7 ), T-link ( 1 ) and T-link ( 2 ), the three measured variables sum voltage (V) and differential voltage (R) of the power and mismatch meter (LFM) and the AC collector voltage of the output stage transistor are taken, the total voltage (V) and the differential voltage (R) being fed to an analog arithmetic unit ( 11 ) and the rectified RF collector voltage driving a controllable phase gating regulator ( 10 ) which provides just as much output stage supply voltage as for that Control at the collector is required, whereby in the analog arithmetic unit ( 11 ) two amplifiers (V 1 and V 2 ) work in parallel in the power control loop, of which only one, however, takes over the level control via an analog OR operation ( 8 ).

2. A circuit according to claim 1, characterized in that the amplifier (V 1 ) in the analog arithmetic unit ( 11 ) makes a comparison of the requested real power output and keeps the output power constant, during which the amplifier (V 2 ) makes a comparison between a reference value and voltage (V and R) proportional to the maximum cable voltage on the output cable and thus keeps the upper limit of the maximum cable voltage constant.

3. A circuit according to claim 1, characterized in that in the analog arithmetic unit ( 11 ) an addition and a subtraction of the two voltages (V and R) originating from the power and mismatch meter (LFM) is carried out and the sum is multiplied by the difference, whereby the product is a measure of the actual active power output, which is fed to the amplifier (V 1 ) and the sum is a measure of the maximum cable voltage along the output cable, which is fed to the amplifier (V 2 ).

4. A circuit according to claim 1, characterized in that the T-member ( 1 ) contains three identical coils, does not affect the wave resistance and contains a suction circuit for the 1st harmonic in the shunt arm and the T-member ( 2 ) also does not have the wave resistance influenced, contains a series resonant circuit in the series branch that bridges two equal resistors at the nominal frequency and contains a parallel resonant circuit that switches the common point of these two resistors at all other frequencies as the nominal frequency to ground.