DE4324198A1 - Hochfrequenz-Leistungsverstärkerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenz- Leistungsverstärkerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Soll ein Verstärker - so wie dies auch für die vorliegende HF-Leistungsverstärkerschaltung gefordert wird - linear arbeiten, so werden alle Signale, die innerhalb des Übertragungsbereichs des Verstärkers liegen und nicht den maximalen Signalpegel überschreiten, mit einem konstanten Faktor verstärkt. Dies bedeutet, daß die Ausgangssignale eines solchen Verstärkers im Idealfall eine exakte, mit dem Verstärkungsfaktor multiplizierte Kopie des Eingangs­ signals darstellen. Ein Verstärker, der diese Eigenschaft erfüllt, wird als Klasse-A-Verstärker bezeichnet. Ein derartiger Verstärker wird überall dort benötigt, wo Signalverzerrungen zu einer Verfälschung oder zum Verlust der übertragenen Information führen können.

Bisher werden lineare Transistor-Leistungsverstärker zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen üblicherweise in einer Emitterschaltung aufgebaut. Ein Problem besteht nun darin, daß die maximal erreichbare Ausgangsleistung eines derartigen Verstärkers in erster Linie durch die für dieses Frequenzband zur Verfügung stehenden Transistoren begrenzt wird. Insbesondere begrenzt die im Transistor entstehende Verlustleistung, zusammen mit den thermischen Übergangswiderständen zwischen Transistorzelle, Gehäuse­ flansch und Kühlfläche die maximale Leistung des Transistors. Die von den verschiedenen Transistorher­ stellern angebotenen Leistungstransistoren erlauben in der Emitterschaltung eine geringere Ausgangsleistung als in der Basisschaltung. Das Problem der unterschiedlichen Leistungen je nach Schaltungsart der Transistoren wird dem Transistorhersteller durch die Möglichkeit der großflächi­ gen Wärmekontaktierung aufgezwungen. Die Wärmeableitung aus einem Transistor-Chip ist aufgrund der verschiedenen Chipgeometrien bei der Kontaktierung der Basis am Flansch des Transistors günstiger als bei Kontaktierung des Emitters. Darüber hinaus sind die von den Herstellern angebotenen Leistungstransistoren nur für den Einsatz in einer Emitterschaltung oder in einer Basisschaltung ge­ eignet. Eine je nach Anwendungsfall wechselnde Beschaltung dieser Transistoren ist nicht möglich.

Bislang konnte eine höhere Ausgangsleistung nur durch eine Parallelschaltung mehrerer solcher Verstärker in der Emitterschaltung erzielt werden. Verbunden mit einer solchen Parallelschaltung ist ein zusätzlicher Aufwand an Leistungsteiler- und Summiernetzwerken an den jeweiligen Verstärkerein- und -ausgängen. Wenn dagegen auf eine verzerrungsarme, lineare Verstärkung verzichtet werden kann, lassen sich Verstärker mit einer höheren Ausgangs­ leistung in der Basisschaltung und im Klasse-C-Betrieb aufbauen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine lineare Klasse-A-Lei­ stungsverstärkerschaltung unter Verwendung der leistungs­ stärkeren Transistoren in der Basisschaltung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Hochfrequenz-Leistungsver­ stärkerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Im Gegensatz zur üblichen Methode, die Emitterschaltung für lineare HF-Leistungs­ verstärker zu verwenden, wird nach der Erfindung also die Basisschaltung eingesetzt. Dadurch lassen sich leistungs­ starke Klasse-C-Transistoren verwenden.

Aus der DE-PS 29 04 011 ist ein aus einer in Basisschal­ tung ausgeführten Leistungstransistor-Verstärkerstufe oder aus mehreren solchen in Kette geschalteten Verstärkerstu­ fen bestehender Hochfrequenzverstärker bekannt, mit dem jeweils emitterseitig über ein Eingangsanpassungsnetzwerk eingegebene Hochfrequenzimpulse verstärkt werden, wobei eine vorgegebene Hüllkurvenform eingehalten werden soll. Hierbei wird ebenfalls emitterseitig an eine solche Ver­ stärkerstufe zusätzlich jeweils eine von einem Pulsgeber gesteuerte Konstantstromquelle angeschlossen, die der Kollektor-Emitterstrecke des jeweiligen Leistungstransi­ stors für die Dauer eines jeden vom Pulsgeber abgegebenen Impulses einen dem Impulsverlauf entsprechenden Strom einprägt. Der vom Pulsgeber abgegebene Impulsverlauf ist dabei im wesentlichen identisch mit der Hüllkurvenform des zu verstärkenden Hochfrequenzimpulses. Diese bekannte Verstärkerschaltung dient somit der Impulsformung von HF-Impulsen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine Hochfrequenz-Leistungsverstärkerschaltung, die sich überall da vorteilhaft anwenden läßt, wo bislang nur Transistoren für die Basisschaltung und Klasse-C-Betrieb angeboten wurden, eine lineare Verstärkung aber von Vorteil wäre, da der Klasse-C-Betrieb der Basisschaltung das Übertragungssignal in einer unzulässigen Weise ver­ zerrt bzw. mit den für die Emitterschaltung angebotenen Transistoren die erforderliche Ausgangsleistung nicht erreicht werden kann. Dies ist z. B. in Verstärkern von Radar-, Mobilfunk- und Telekommunikationsanlagen der Fall.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So läßt sich mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten HF-Leistungsverstärkerschaltung nicht nur eine höhere, sondern auch noch einstellbare Verstärkung in der Basis­ schaltung erreichen.

Wird an der Basis des als Konstantstromquelle wirkenden Transistors ein Modulationssignal angelegt, so läßt sich auf einfache Art und Weise ein am Leistungsverstärker an­ liegendes Hochfrequenzsignal in der Amplitude modulieren.

Durch Messung der Ausgangsleistung der Verstärkerschaltung und Rückführung über eine automatische Verstärkungsregel­ schaltung (AGC) läßt sich die Ausgangsleistung auf einem konstanten Pegel halten.

Zur Reduzierung der aufgenommenen Verlustleistung läßt sich eine von der Eingangsleistung abhängige Regelung des Arbeitspunktes einführen. Je nach der vorhandenen Ein­ gangsleistung wird dann der optimale Arbeitspunkt durch den Emitterstrom eingestellt.

Es lassen sich in einer HF-Leistungsverstärkerschaltung nach der Erfindung auch Kurzpulstransistoren in einem Langpuls-oder CW-Betrieb verwenden. Dies wird durch eine Veränderung der Arbeitspunkteinstellung in der Art ermöglicht, daß die hierbei auftretende Verlustleistung die maximal vom Transistorhersteller angegebene Verlust­ leistung nicht überschreitet.

Durch eine Parallelschaltung mehrerer Verstärkerschal­ tungen gemäß der Erfindung läßt sich die Ausgangslei­ stung weiter erhöhen.

Durch eine Integration des als Konstantstromquelle wirkenden Transistors in das Gehäuse des Hochfrequenz- Leistungstransistors lassen sich auf besonders einfache Art lineare Leistungsverstärker aufbauen.

Eine Verstärkerkette aus mehreren nach der Erfindung aufgebauten HF-Leistungsverstärkerschaltungen ermöglicht die Verwendung von kleineren Signalfiltern bei kleineren Leistungen. Es ist dann möglich, die Signalfilterung anstatt am Verstärkerausgang bereits einige Verstärker­ stufen früher durchzuführen. Dadurch lassen sich Filter einsetzen, die aufgrund der am Verstärkerausgang vorhandenen Leistung nicht einsetzbar wären.

Ausgehend vom Stand der Technik wird die Erfindung im folgenden anhand von drei Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine herkömmliche HF-Leistungsverstärkerschaltung in Basisschaltung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung ausgebildeten HF-Leistungsverstärkerschaltung in Basisschaltung,

Fig. 3 in Gegenüberstellung ein Kennlinienfeld eines linearen HF-Leistungsverstärkers nach der Erfindung und eines Klasse-C-Verstärkers.

In Fig. 1 ist eine bisher übliche Basisschaltung eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers dargestellt. In dieser bekannten Schaltung wird ein Transistor 1 durch eine am Emitter anliegende Hochfrequenzleistung P_IN ausgesteuert. Diese Leistung wird dem Emitter von einem Eingang 2 über ein Eingangsanpassungsnetzwerk 3 zugeführt. Der sich einstellende Arbeitspunkt des Transistors 1 hängt von der Aussteuerung durch die Eingangsleistung P_IN ab und läßt sich nur durch die Eingangsleistung P_IN und die Versor­ gungsgleichspannung U_C beeinflussen. Über ein Ausgangsan­ passungsnetzwerk 5 wird die Ausgangsleistung P_OUT an einem Ausgang 6 abgenommen. Bedingt durch die nichtlineare An­ steuerungskennlinie von Leistungstransistoren im Klasse- C-Betrieb tritt ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Eingangsleistung P_IN und der Ausgangsleistung P_OUT eines solchen Verstärkers auf. In der bekannten Schaltung nach Fig. 1 ist die Basis direkt und der Emitter über eine Hochfrequenzdrossel 4 mit Masse verbunden. Die Zuführung der Versorgungsgleichspannung U_C für den Kollek­ tor des Transistors 1 erfolgt über eine Hochfrequenzdros­ sel 7 und durch einen Durchführungskondensator 8.

Die Hochfrequenz-Leistungsverstärkerschaltung nach der Erfindung ermöglicht dagegen, einen linearen Zusammenhang zwischen der Eingangsleistung P_IN und der Ausgangsleistung P_OUT herzustellen. In Fig. 2 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung gezeigt. Der HF-Leistungstransistor 1 wird genauso wie in der Schaltung nach Fig. 1 in der vom Hersteller geforderten Basisschaltung betrieben. Im Vergleich zur Schaltung nach Fig. 1 ist ein Transistor 9 dazugekommen, der als Stromquelle wirkt und einen konstanten Strom in den Emitter des HF-Leistungstran­ sistors 1 im Wege über die Hochfrequenzdrossel 4 einprägt. Die Zuführung des konstanten Gleichstroms vom Kollektor des Transistors 9 erfolgt durch einen Durchführungskonden­ sator 14. Dieser konstante Emitterstrom des Transistors 1 steht wiederum in einem festen Zusammenhang mit dem dazugehörigen Kollektorstrom.

Die Größe des eingeprägten Stroms wird durch einen aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 10 und 11 beste­ henden Spannungsteiler R1/R2 bestimmt (Wert des Wider­ stands 10 = R₁, Wert des Widerstands 11 = R₂). Der Abgriff zwischen den beiden Widerständen 10 und 11 ist mit der Basis des Transistors 9 unmittelbar verbunden. Das andere Ende des Widerstands 10 liegt an Masse und das andere Ende des Widerstands 11 an einer Emittergleichspannung -U_E. Der Transistor 9 ist an seinem Kollektor über einen Widerstand 12 noch mit Masse verbunden und mit seinem Emitter über einen Widerstand 13 an die Emittergleich­ spannung -U_E gelegt.

Der Vorteil der Schaltung nach der Erfindung besteht darin, daß der Arbeitspunkt des Hochfrequenz-Leistungs­ verstärkers nicht mehr wie bisher von der am Eingang anliegenden Hochfrequenzleistung P_IN abhängt, sondern durch den über den Transistor 9 eingeprägten Emitterstrom des Transistors 1 eingestellt werden kann. Um diesen Arbeitspunkt herum kann die Hochfrequenzeingangsleistung P_IN den Leistungstransistor 1 linear aussteuern.

An die Basis des als Konstantstromquelle wirkenden Transi­ stors 9 läßt sich ein Modulationssignal Mod anlegen, wo­ durch sich auf einfache Art und Weise ein am Eingang 2 anstehendes Hochfrequenzsignal in der Amplitude modulieren läßt.

Der als Stromquelle wirkende Transistor 9 kann in vorteil­ hafter Weise in das Gehäuse des HF-Leistungstransistors 1 integriert werden, so daß sich auf besonders einfache Art lineare Leistungsverstärker aufbauen lassen.

Fig. 3 zeigt in einem Kennlinienfeld den beispielhaften Zusammenhang zwischen der Eingangsleistung P_IN, dem Kol­ lektorstrom I_C, der Ausgangsleistung P_OUT und der dabei erreichten Verstärkung v [dB]. Dargestellt ist dabei die Abhängigkeit der Ausgangsleistung P_OUT in Watt von der Eingangsleistung P_IN in Watt mit dem Kollektorstrom I_C in Ampere als Parameter sowohl für einen herkömmlichen Klas­ se-C-Verstärker als auch für einen linearen Hochfrequenz- Leistungsverstärker nach der Erfindung.

Claims (12)

1. Hochfrequenz-Leistungsverstärkerschaltung mit einem in Basisschaltung betriebenen HF-Leistungstransistor zur Ver­ stärkung von emitterseitig über ein Eingangsanpassungs­ netzwerk eingegebenen HF-Signalen, die verstärkt kollek­ torseitig über ein Ausgangsanpassungsnetzwerk abgenommen werden, und mit einem ebenfalls emitterseitig angeschlos­ senen Transistor, der als Konstantstromquelle wirkt und einen konstanten Strom in die Emitter-Kollektor-Strecke des HF-Leistungstransistors einprägt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Arbeitspunkteinstellung des HF-Leistungstran­ sistors (1) ein aus zwei in Reihe geschalteten Widerstän­ den (10, 11) bestehender Spannungsteiler mit seinem Abgriff an die Basis des als Konstantstromquelle wirkenden Transistors (9) angeschlossen ist, daß die Größe des in die Emitter-Kollektor-Strecke des HF-Leistungstransistors (1) eingeprägten Stromes mittels des Spannungsteilers so bemessen ist, daß der HF-Verstärkerschaltungs-Arbeitspunkt im linearen Aussteuerbereich des HF-Leistungstransistors liegt und sich damit ein Klasse-A-Betrieb ergibt, und daß als HF-Leistungstransistor ein Klasse-C-Leistungstransi­ stor verwendbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (10, 11) einstellbar ausgebildet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder, dadurch gekennzeichnet, daß an die Basis des als Konstantstromquelle wirkenden Transistors (9) ein Modulationssignal angelegt ist.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung der Verstärkerschaltung gemessen wird und ein Teil davon über eine automatische Verstär­ kungsregelschaltung (AGC) als Regelsignal zur Basis des als Konstantstromquelle wirkenden Transistors (9) rückge­ führt wird, so daß die Ausgangsleistung auf einem kon­ stanten Pegel gehalten wird.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der aufgenommenen Verlustleistung eine von der Eingangsleistung der Verstärkerschaltung abhängige Regelung des Arbeitspunktes durch Zuführung eines Teils dieser Eingangsleistung als Modulationssignal zur Basis des als Konstantstromquelle wirkenden Transistors (9) vor­ genommen wird, und daß - je nach der vorhandenen Eingangs­ leistung - der optimale Arbeitspunkt des Leistungsverstär­ kers durch den Emitterstrom seines Transistors (1) einge­ stellt wird.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kurzpuls-Leistungstransistoren in einem Langpuls- oder CW-Betrieb, wobei der Arbeitspunkt derart eingestellt ist, daß die hierbei auftretende Verlustlei­ stung die maximal zulässige Verlustleistung nicht über­ schreitet.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Parallelschaltung mehrerer solcher Leistungsver­ stärker.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Integration des als Konstantstromquelle wirkenden Transistors (9) im Gehäuse des HF-Leistungstransistors (1).

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kettenschaltung aus mehreren einzelnen in dieser Art aufgebauten HF-Leistungsverstärkern, so daß anstelle eines am Verstärkerausgang angeordneten und damit großen, für eine hohe Leistung ausgelegten Signalfilters ein oder mehrere kleine Signalfilter für kleine Leistungen am Ausgang eines oder mehrerer der im Verstärkerzug weiter vorne angeordneten Verstärker vorgesehen sind.

10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Verstärker in Radar-, Mobilfunk- oder anderen Telekommunikationsanlagen.

11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des HF-Leistungstransistors (1) durch diesen Aufbau erhöht wird.

12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kettenschaltung aus mehreren einzelnen in dieser Art aufgebauten HF-Leistungsverstärkern, so daß die Anzahl der notwendigen Verstärkerstufen wegen deren höherer Verstär­ kung um ein oder mehrere Stufen geringer ist.