DE69620099T2 - Hochfrequenz-Leistungsverstärker - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenz (HF-)Verstärker- Leistungsregelsysteme.
• Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bezieht sie sich auf Systeme für die Verwendung in HF-Sendern, die entsprechend der "Groupe Speciale Mobile (GSM)" Spezifikation aufgebaut sind, bei der es sich um einen dem Fachmann bekannten Mobilfunkstandard handelt. Viele Funksender einschließlich der GSM- Mobileinheitensender müssen in kontrollierter Weise eingeschaltet und ausgeschaltet werden. In bekannten GSM-Systemen können das Einschalten und Ausschalten eines mobilen Senders zur Steuerung des Tastverhältnisses und der gesendeten Leistung zweckmäßigerweise unter Verwendung einer Leistungsregelschleife bewirkt werden, bei der ein Leistungsverstärker- Regelsignal dadurch abgeleitet wird, daß ein die Senderausgangsleistung anzeigendes Signal mit einer Referenzspannung verglichen wird, die dynamisch abhängig von Zeit-, Ausgangsleistungs- und Frequenzspektrumserfordernissen abgeleitet wird.
• Eines der Probleme derzeit bekannter Leistungsregelschleifen besteht darin, daß der dynamische Regelbereich unzureichend ist, mit dem Ergebnis, daß dann, wenn die Schleifenkennlinien zur Behandlung der höchsten beabsichtigten Sendeleistung eingestellt sind, die Schleife dann bei kleinen Senderausgangsleistungen unbefriedigend arbeitet und umgekehrt, wie anschließend noch genauer erläutert wrd.
• In der US-Patentschrift 5,412,341 ist ein Leistungsregelsystem für einen HF- Verstärker offenbart, bei dem ein weiches Einschalten durch Kompensieren eines Schwellenwerts einer Regelspannung des Verstärkers gewährleistet wird.
• Es ist daher eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelsystem für einen HF-Leistungsverstärker zu schaffen, das an beiden Enden seines Ausgangsleistungsbereichs zufriedenstellend arbeitet.
• Die Erfindung ist durch die angefügten Ansprüche definiert.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beispielshalber erläutert, in denen:
• - Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines bekannten HF- Leistungsverstärker-Regelsystems zeigt,
• - Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines HF-Leistungsverstärker- Regelsystems gemäß der Erfindung zeigt,
• Fig. 3 ein Diagramm der Ausgangsleistungskennlinien bezüglich der in Fig. 1 und in Fig. 2 gezeigten Systeme darstellt und
• - Fig. 4 ein weiteres Diagramm zeigt, das den Betrieb des in Fig. 2 dargestellten Systems veranschaulicht.
• Nach Fig. 1 enthält ein Leistungsverstärker-Regelsystem einen Leistungsverstärker 1, der mit Strom aus einer Versorgungsschiene 2 über einen Fühlerwiderstand 3 gespeist wird. Der Fühlerwiderstand 3 ist über eine Rückkopplungsleitung 4 mit einem Eingangsanschluß 5 eines Differenzverstärkers 6 verbunden. Der andere Eingangsanschluß 7 des Differenzverstärkers wird von einer Referenzstromquelle 8 und einem mit der Versorgungsschiene 2 verbundenen Lastwiderstand 9 gespeist, an dem eine Referenzspannung erzeugt wird. Eine Regelspannung, die an einer Ausgangsleitung 10 des Differenzverstärkers 6 vorhanden ist, wird dem Leistungsverstärker 1 zugeführt. Der Leistungsverstärker 1 ist so angeordnet, daß er eine Antenne 11 speist. Die der Antenne 11 zugeführte Energie wird entsprechend einer am Widerstand 9 erzeugten Referenzspannung gesteuert. Wenn im Betrieb der Anordnung die am Widerstand 9 erzeugte Referenzspannung ansteigt, nimmt die Regelspannung an der Leitung 10 zu, so daß die zur Antenne 11 abgegebene HF-Energie entsprechend zunimmt, wodurch der Spannungsabfall am Fühlerwiderstand 3 ansteigt. Die zur Antenne 11 abgegebene Energie wird auf diese Weise in Aufwärtsrichtung oder in Abwärtsrichtung verändert, bis die Spannungen an den Eingangsanschlüssen 5 und 7 des Differenzverstärkers 6 gleich sind, wodurch die Regelspannung an der Leitung 10 gegen einen eingeschwungenen Wert geht.
• Ein Problem dieses bekannten Regelsystems besteht darin, daß der Fühlerwiderstand 3 einen sehr kleinen Widerstandswert haben muß, so daß der an ihm entstehende Spannungsabfall nicht signifikant ist und somit bei kleinen Ausgangsleistungen eine sehr kleine Rückkopplungsspannung an der Leitung 4 erzeugt wird. Es ist daher zu erkennen, daß die Spezifikation des Differenzverstärkers, der zum Vergleichen des Rückkopplungssignals am Anschluß 5 mit dem Referenzsignal am Anschluß 7 einen weiten Bereich der Rückkopplungsspannungen am Anschluß 5 umfassen muß, wie er den bei maximalen bzw. minimalen Ausgangsleistungen vorhandenen Spannungen entsprechen würde. In der Praxis können diese Anforderungen nicht befriedigend erfüllt werden, da dann, wenn das System so ausgestaltet ist, daß es bei hohen Ausgangsleistungen zufriedenstellend arbeitet, die Rückkopplungssignale an der Leitung 4 während Bedingungen mit niedriger Ausgangsleistung zu klein werden und der Differenzverstärker keine ausreichende Verstärkungsbandbreite liefern kann.
• Zur Überwindung dieses Problems ist ein in Fig. 2 dargestelltes System vorgesehen, bei dem Teile, die denen von Fig. 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen tragen. Die Anordnung von Fig. 2 entspricht im wesentlichen der von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß der Leistungsverstärker 1 einen von einem Transistor 12 gebildeten Nebenschluß aufweist, dessen Kollektor über einen Widerstand 13 mit der Leitung 14 verbunden ist, und dessen Emitter 14 über einen Widerstand 15 an Masse gelegt ist. Die Basis des Transistors 12 ist über einen Widerstand 16 mit der Steuerleitung 10 verbunden.
• Im Betrieb des Systems wird der vom Transistor 12 gezogene Strom durch die Regelspannung an der Leitung 10 bestimmt. Es ist zu erkennen, daß der Strom Ic, der durch den Widerstand 3 fließt, gleich einem vom Leistungsverstärker 1 gezogenen Strom Id zuzüglich einem vom Transistor 12 gezogenen Strom Ib ist.
• Es ist zu erkennen, daß der über den Widerstand 3 dem Leistungsverstärker zugeführte Strom aufgrund des Betriebs des Transistors von Id auf Id + Ib erhöht ist. Ferner ist zu erkennen, daß bei hohen Ausgangsleistungen Id groß ist, während bei niedrigen Ausgangsleistungen Id relativ klein ist, wodurch der Transistor 12 bei niedrigen Leistungen eine proportional größere Wirkung hat, wodurch die Regelung bei niedrigen Leistungen verstärkt wird, so daß der dynamische Regelbereich des Systems wirksam vergrößert wird. Dieser Effekt veranschaulicht, in der die gestrichelte Linie 17 der Ausgangsleistungsfüllkurve der Schaltung 1 entspricht, während die Linie 18 der Ausgangsleistungsfüllkurve der in Fig. 2 dargestellten Schaltung entspricht. Das Diagramm von Fig. 4 zeigt, wie sich die Ströme Ib, Ic und Id mit der an der Leitung 10 vorhandenen Regelspannung Vc ändern.
• Wie aus Fig. 3 zu erkennen ist, neigt die Ausgangsleistung bei einem System, das die Schaltung von Fig. 1 enthält, zum Überschwingen und reagiert langsamer auf Änderungen der Referenzspannung am Eingang 7 des Differenzverstärkers 6, während bei dem in Fig. 2 dargestellten verbesserten System das Ansprechen viel schneller und glatter ist.
• Wie Fig. 4 zeigt, wird der beim anfänglichen Einschalten des Systems durch den Widerstand 3 gezogene Strom hauptsächlich dem Transistor 12 zugeführt. Wenn jedoch die Regelspannung Vc an der Leitung 10 hoch genug ist, beginnt der Strom Id anzusteigen und steigt schneller als Ib an. Die Betriebsgeschwindigkeit der Regelschaltung mit dem Differenzverstärker 6, den Widerständen 3, 13, 15 und 16, dem Leistungsverstärker 1 und dem Transistor 12 steht jederzeit direkt mit der Steigung der Ic-Vc-Kennlinie in Beziehung, und es ist aus Fig. 4 zu erkennen, daß die Steigung dieser Kennlinie um den Punkt zunimmt, an dem der Leistungsverstärker beginnt einzuschalten. Ohne den vom Transistor 12 gebildeten zusätzlichen Strompfad würde die Steigung der Ic/Vc-Kennlinie um diesen Punkt angenähert null sein, was einen langsamen Betrieb der Schleife zur Folge hätte.
• Ohne Abweichung vom Umfang der Erfindung können verschiedene Abwandlungen der in Fig. 2 dargestellten Anordnung durchgeführt werden; obgleich im vorliegenden Beispiel der Differenzverstärker 6 beispielsweise ein schneller Operationsverstärker ist, kann jede andere Art eines geeigneten Differenzverstärkers benutzt werden. Ferner gilt, daß der Nebenschluß im folgenden Beispiel zwar ein Transistor 12 ist, jedoch in Alternativanordnungen jede andere Art von steuerbarem Nebenschluß verwendet werden kann, der entsprechende Impedanzänderungen, wie sie erforderlich sind, ergeben würde.

Claims (10)

1. Leistungsregelsystem eines HF-Verstärkers mit:

- einem HF-Leistungsverstärker (1) zum Liefern einer HF-Sendeleistung an eine Antenne (11);

- einer Stromfühlerimpedanz (3), die so angeordnet ist, daß sie dem Leistungsverstärker einen Betriebsstrom (Id) zuführt;

- einem Differenzverstärker (6) mit einem ersten (5) und einem zweiten (7) Eingangsanschluß, wobei

der erste Eingangsanschluß (5) so angeordnet ist, daß er eine die HF- Sendeleistung anzeigende, von der Stromfühlerimpedanz abgeleitete Rückkopplungsspannung (4) empfängt, und wobei

der zweite Eingangsanschluß (7) so angeordnet ist, daß er eine Referenzspannung (8, 9) empfängt,

wobei der Differenzverstärker (6) so angeordnet ist, daß er eine Regelspannung (Vc) in Abhängigkeit von der Anwesenheit einer Spannungsdifferenz zwischen der Rückkopplungsspannung (5) und der Referenzspannung (7) erzeugt,

wobei das Leistungsregelsystem des HF-Verstärkers außerdem so ausgestaltet ist, daß es die Regelspannung so empfängt, daß die Sendeleistung des HF- Leistungsverstärkers entsprechend der Regelspannung mit einer Tendenz zur Beseitigung der Spannungsdifferenz gesteuert wird;

dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner enthält:

einen Nebenschluß (12, 13, 14, 15), der ebenfalls die Regelspannung empfängt und dem ein Strom (Ib) von der Stromfühlerimpedanz (3) zugeführt wird, wobei die Impedanz des Nebenschlusses so ausgestaltet ist, daß sie sich in Abhängigkeit von der Regelspannung ändert.

2. System nach Anspruch 1, wobei ferner der durch die Stromfühlerimpedanz (3) fließende Strom (Ic) durch den Betrieb des Nebenschlusses (12, 13, 14, 15) erhöht wird, wodurch die Empfindlichkeit der Rückkopplungsspannung auf die Regelspannung erhöht wird.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Stromfühlerimpedanz (3) ein Widerstand ist.

4. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Nebenschluß (12, 13, 14, 15) einen Transistor (12) aufweist, der so angeordnet ist, daß er einen wirksamen Nebenschluß zu dem Leistungsverstärker (1) bildet, wobei die Regelspannung an den Basisanschluß des Transistors über einen Widerstand (16) angelegt wird.

5. System nach Anspruch 4, bei dem der Kollektoranschluß des Transistors (12) über ein Lastelement (13) mit der Fühlerimpedanz (3) verbunden ist, während ein Emitteranschluß (14) des Transistors über einen weiteren Widerstand (15) an Masse gelegt ist, wobei die Basis des Transistors über einen Serienwiderstand (16) mit einem Ausgangsanschluß (10) des Differenzverstärkers (6) verbunden ist.

6. System nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (12) so angeordnet ist, daß er einen Strom leitet, der wesentlich größer als der vom Leistungsverstärker (1) abhängig von relativ niedrigen Regelspannungen gezogene Strom ist, und einen Strom leitet, der wesentlich kleiner als der vom Leistungsverstärker abhängig von relativ hohen Regelspannungen gezogene Strom ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (12) so angeordnet ist, daß er bei relativ niedrigen Regelspannungen einen relativ niedrigen Strom leitet; einen relativ schnell ansteigenden Strom bei ansteigenden Regelspannungen leitet und einen relativ langsam ansteigenden Strom bei relativ hohen Regelspannungen leitet.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer von dem Leistungsverstärker (1) gespeisten Sendeantenne (11).

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Teil eines Senders einer mobilen Einheit eines mobilen Funksystems bildet.

10. System nach Anspruch 9, bei dem das mobile Funksystem ein mobiles GSM-Funksystem ist.