(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅器の冗長電源のための回路構成であって、前記電力増幅器は、複数の出力段コンポーネント及び複数の電源ユニットを備え、前記電源ユニットは、該電源ユニットの負荷端接続において共に接続され、前記出力段コンポーネントにエネルギを供給し、
少なくとも１つの電源ユニットが故障したとき、少なくとも１つの出力段コンポーネントが能動的にオフに切り替えられる、回路構成。
【請求項２】
２つの出力段コンポーネントは、それぞれ９０°ハイブリッド・カプラを介して制御され、出力段ユニットを形成する、請求項１に記載の回路構成。
【請求項３】
故障したとき、各電源ユニットは、状態線を介してエラー信号を出力し、前記少なくとも１つの出力段コンポーネントのオフへの切り替えは、前記エラー信号に従って実施される、請求項１又は２に記載の回路構成。
【請求項４】
各電源ユニットの前記状態線は、共通エラー信号が出力されるように互いに接続される、請求項３に記載の回路構成。
【請求項５】
ｎ個の電源ユニットの前記状態線は、論理ユニットの入力にそれぞれ接続され、
前記論理ユニットのｎ−１本の出力線は、それぞれ少なくとも１つの出力段コンポーネントに接続される、請求項３に記載の回路構成。
【請求項６】
少なくとも１つの電源ユニットが故障したとき、該電源ユニットの前記エラー信号が供給された前記出力段コンポーネントは、スイッチ素子を介して、前記出力段コンポーネントのパワー・トランジスタのバイアス電圧をアースに接続することにより、オフに切り替えられる、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項７】
前記出力段コンポーネントは、切り替えユニットにより高周波数制御電力と切断され、前記電源ユニットの前記エラー信号は、前記切り替えユニットに供給される、請求項６に記載の回路構成。
【請求項８】
少なくとも１つの電源ユニットが故障したとき、前記共通エラー信号が供給されたスイッチ素子を備える前記出力段コンポーネントの前記パワー・トランジスタの前記バイアス電圧は、オフに切り替えられる、請求項４に記載の回路構成。
【請求項９】
切り替えユニットを有する前記出力段コンポーネントは、該切り替えユニットにより高周波数制御線と切断され、前記共通エラー信号は、前記切り替えユニットに供給される、請求項８に記載の回路構成。
【請求項１０】
ｎ−１個の電源ユニットが故障したとき、最大でｎ−１個の出力段コンポーネントの前記パワー・トランジスタのバイアス電圧は、それぞれスイッチ素子によりオフに切り替えられ、各スイッチ素子は、前記論理ユニットの出力に接続される、請求項５に記載の回路構成。
【請求項１１】
最大でｎ−１個の出力段コンポーネントは、それぞれ切り替えユニットにより高周波数制御線と切断され、該切り替えユニットは前記論理ユニットの出力線に接続される、請求項１０に記載の回路構成。
【請求項１２】
前記切り替えユニットは、ＰＩＮダイオードを備え、該ＰＩＮダイオードを通じて、前記高周波数制御電力がアースに接続される、請求項７又は９又は１１に記載の回路構成。
【請求項１３】
前記９０°ハイブリッド・カプラは、負荷平衡抵抗器を備え、反射電力は該負荷平衡抵抗器に吸収される、請求項２に記載の回路構成。
【請求項１４】
前記電源ユニットが前記出力段コンポーネントにより生成された高周波数エネルギにより影響を受けるのを防ぐため、前記電源ユニットは、該電源ユニットの負荷端接続において、少なくとも１つのフィルタに接続される、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項１５】
前記電源ユニットに接続された前記出力段コンポーネントの負荷は、各電源ユニットがエラーのない動作中に同じ電力を供給するように分割される、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項１６】
前記電力増幅器は、該電力増幅器の動作に必要な機能ユニットを備え、該機能ユニットは、共通電源線を介して全ての電源ユニットに接続される、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項１７】
前記機能ユニットは、前置増幅器、ドライバ増幅器、制御部、高周波数検出器を備えた出力レギュレータ、エラー・モニタ及び少なくとも１つのファンを有する、請求項１６に記載の回路構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅器、特に無線及びテレビ信号をブロードキャストする通信で、携帯電話の基地局で、レーダ技術で、ＥＭＣ測定技術で、及び科学的目的で大容量高周波数電力を生成するのに用いられるような高周波数電力増幅器のための冗長電源のための回路構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波数電力増幅器は、通常、高周波数出力段のコンポーネントにカプラ（パワー・スプリッタ及びパワー・カプラ）により接続された幾つかの単一高周波数出力段増幅器を有する。この方法でのみ、所望の総電力出力が達成される。これらの高周波数出力段増幅器のうちの１又は複数が故障すると、結果として出力電力が低下する。しかしながら、送信は、受信サイトにおける信号対雑音比Ｓ／Ｎの低下を伴って、低下した出力電力で依然として可能である。残りの出力電力は、式Ｐｏｕｔ＝Ｐｎｏｍ＊ｍ２／ｎ２で計算できる。ここで、Ｐｏｕｔは残りの出力電力を表し、Ｐｎｏｍは全ての出力段増幅器が機能しているときの公称出力電力を表し、［ｍ］は機能している出力段増幅器の数を表し、［ｎ］は出力段増幅器の総数を表す。
【０００３】
これに対し、電源ユニットが故障すると、電源ユニットが冗長に実装されていない場合には、もはや送信できない。正確には、このような電源ユニットは、主電源と個々の装置内のコンポーネント群との間の接続を形成するので、比較的高い故障リスクがある。主電源の品質は、異なる国のみならず、工場内でも大きく変化するので、大きな電圧変動、電圧スパイク又は短時間の電源断は珍しいことではない。さらに、コンポーネント群が次第に高速且つ高出力になり、同時に更なる小型電源ユニットに対する要望の結果として、切り替えユニットは、多くの過負荷コンポーネントを有し、複雑になり、したがって統計的に故障しやすくなった。したがって、動作信頼度を向上させるために、電力増幅器の冗長電源が望ましい。
【０００４】
多数の独立した高周波数電力増幅器に電力を供給する冗長構成の電源ユニットは、ＵＳ６，０６４，２６０から知られている。各高周波数電力増幅器は、電源ユニット、高周波数電力段、線形化器を設け、高周波数電力段及び線形化器は、電源ユニットの負荷を表し、電源ユニットからエネルギを供給される。同時に、全ての電源ユニットが電源バスに接続される。電源ユニットが故障した場合、これは、スイッチを開き、電源ユニットを高周波数電力増幅器の負荷及び電源バスから分離するエラー信号を生成する。残りの電源ユニットは、それらが、電源ユニットがエネルギを失った高周波数電力増幅器に電力を供給し続けられるように定められる（dimensioned）。さらに、電流センサは、接続された負荷の消費電流を登録する。電流消費が所定の範囲内でない場合、これは高周波数電力段又は線形化器内のエラーを示す。次に、スイッチは、負荷を電力増幅器の電源ユニットから及び電源バスから切り離す。
【０００５】
ＵＳ６，０６４，２６０の構成の欠点は、一緒に高周波数電力増幅器を形成する個々の出力段の増幅器をオフに切り替えられないことである。高周波数増幅器は、動作し続けるか又は全体としてオフに切り替えられなければならない。後者の場合には、高周波数増幅器は信号の送信を停止してしまう。ここでは、低下した出力電力での動作のための準備は行われない。冗長性を保証するために、全ての電源ユニットは極めて過大でなければならない。例えば、２つの高周波数電力増幅器のみが、それぞれ、電源バスを介して電源ユニットに接続される場合、各電源ユニットは、故障の場合に他の電力増幅器にエネルギを供給できるようにするために、２倍の電力のために設計されなければならない。そうでなければ、高周波数増幅器の一方又は両方の電流センサはエラーを報告し、一方又は両方の高周波数増幅器を電源バスから対応するスイッチを介して切断するだろう。しかし、少なくとも１つの高周波数増幅器は完全に動作を停止するだろう。冗長性を達成するために、特に多くのキロワットの出力の電源ユニットを有する全体の構成のコストは有意に増大する。例えば、２つより多い高周波数電力増幅器が電源バスに接続される場合、電源ユニットの出力制限はある程度低減することができる。しかしながら、個々の電力増幅器の数に依存して同質の増幅器段に供給するために、異なる電源ユニットが用いられなければならない。異なる大きさの電源ユニットは、種々の数の電力増幅器を１つの筐体内に収容する均一的な設計を不可能にする。故障の場合には、使用されるスイッチは、幾つかの場合には、依然として１００Ａより多い短絡回路電流をオフに切り替え可能である必要がある。したがって、このようなスイッチの大きさ及びコストは、無視できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明は、高周波数電力増幅器の電源ユニットの冗長電源のためのスイッチ構成であって、少なくとも１つの電源ユニットが故障した場合に送信電力が低下するが、個々の電源ユニットは比較的低い電力制限を有し、動作を継続することを可能にする、スイッチ構成を提供することを目的とする。このために用いられる電源ユニットは、筐体の購入及び設計に関して望ましい一般条件を達成するために一様であるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１の特徴を有するスイッチ構成により達成される。本発明の更なる有利な発展は、従属請求項の対象を形成する。
【０００８】
本発明による切り替え装置は、電力増幅器、特に高周波数電力増幅器の冗長電源を設け、電力増幅器は、複数の出力段コンポーネント及び複数の電源ユニットを有する。電源ユニットは、それらの負荷端接続において接続され、出力段コンポーネントにエネルギを共同で供給する。少なくとも１つの電源ユニットが故障した場合、少なくとも１つの出力段コンポーネントは、直ちに能動的にオフに切り替えられる。
【０００９】
電力増幅器の種々の出力段コンポーネントは、共通電源線により種々の電源ユニットから給電されるので、電源ユニットが故障したとき、残りの電源ユニットが強制的にその給電を引き継ぐことなく、動作が継続する。電源ユニットが故障した結果として、所与の数の出力段コンポーネントはオフに切り替えられ、送信電力は低減されるが、動作の継続は依然として可能である。したがって、電源ユニットの電力は、冗長性を失うことなく、通常動作に合わせることができる。さらに、電源ユニットは、同一の構造的形状を備えることが望ましく、これは筐体への統合を容易にする。
【００１０】
本発明の更なる利点は、全ての電源ユニットが、それらの共通の負荷端接続点により少なくとも１つの共通フィルタに接続されることである。特に、例えば、数キロワットの高電力では、電源ユニットを出力段コンポーネントの高周波数エネルギの影響から保護する共通フィルタは、別個のフィルタが各電源ユニットに用いられる場合よりも遙かに望ましい。このような共通フィルタに必要な空間は、複数の個々のフィルタと比較して有意に少ない。
【００１１】
また、有利なことに、電力増幅器の出力段コンポーネントと同様に、前置増幅器、ドライバ増幅器、制御部、高周波数検出器を含む電力制御ユニット、エラー制御ユニット及び複数のファンのような電力増幅器内の機能ユニットも、共通電源線を介して全ての電源ユニットから給電される。このように、種々の中央コンポーネントは、出力段コンポーネントと同様に、更なる電源ユニットの形式で追加コストを招くことなく、冗長にエネルギを供給されうる。
【００１２】
本発明による冗長電源のための切り替え装置の一実施形態の利点は、故障したとき、各電源ユニットが状態線を介してエラー信号を出力し、このエラー信号は所与の数の出力段コンポーネントをオフに切り替えるために用いられることである。これはスイッチ素子を介して達成される。このスイッチ素子は、影響を受ける出力段コンポーネントのパワー・トランジスタのバイアス電圧を例えばアースに接続する。このように、相互変調生成物を回避するために、高周波数制御電力は、スイッチ素子を介して出力段コンポーネントと切断される。この目的のため、９０°ハイブリッド・カプラにより纏めて制御されるこれらの出力段コンポーネントは、結果として生じる反射を負荷平衡抵抗器に向けるために、常に対でオフに切り替えられる。
【００１３】
これは、厳密に同一の動作条件が、残りの依然として動作している出力段コンポーネントにも、レベル又は周波数応答の点で、広がることを保証する。この状況では、スイッチ素子は、非常に小さい信号電流を切り替える必要があるだけなので、ＳＭＤコンポーネント（表面実装素子、表面実装コンポーネント）から構成することができる。
【００１４】
２以上の電源ユニットを有する本発明による更なる実施形態では、状態線は、全ての電源ユニットのオープン・コレクタ出力で、互いに及び所与の数のスイッチ素子及び／又は出力段コンポーネントの切り替えユニットに直接接続される。状態線の相互接続は、ＯＲ関数のように動作する。これは、更なる制御ユニットを有することなく、電源ユニットが故障したときに、必要な数の出力段コンポーネントがオフに切り替えられることを保証し、動作は、出力電力の低下を伴うが、残りの電源ユニットを介して維持される。
【００１５】
本発明の更なる実施形態では、各電源ユニットの状態ユニットは、個々に論理ユニットに接続される。したがって、論理ユニットの出力は、異なるスイッチ素子及び切り替えユニットに接続される。論理ユニットは、１又は複数の電源ユニットが故障したときに、いくつの及びどの出力段コンポーネントがオフに切り替えられるかを決定する。このように、最小限の数のスイッチ素子及び切り替えユニットで十分に高い冗長性を達成することができる。
【００１６】
本発明の別の例示的な実施形態は、単なる例として、図面を参照して記載される。同一の参照符号は同一の対象を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電力増幅器の冗長電源のための本発明による回路構成の第１の例示的な実施形態の回路図を示す。
【図２】電力増幅器の冗長電源のための本発明による回路構成の第２の例示的な実施形態の回路図を示す。
【図３】電力増幅器の冗長電源のための本発明による回路構成の第３の例示的な実施形態の回路図を示す。
【図４】電力増幅器の冗長電源のための本発明による回路構成の第４の例示的な実施形態の回路図を示す。
【図５】本発明によるスイッチ素子の９０°ハイブリッド・カプラへの例示的な接続を示す。
【図６】電力増幅器の冗長電源のための本発明による回路構成のスイッチ素子の第１の例示的な実施形態の回路図を示す。
【図７】本発明による構造及び例示的な実施形態による切り替えユニットの接続を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、電力増幅器１の冗長電源のための本発明による回路構成の回路図を示す。電力増幅器１は、２つの電源ユニット２を備える。電源ユニット２は、入力端で、望ましくは主電源から接続３を介してエネルギを引き出す。２つの電源ユニット２の負荷端出力は、節点４で互いに接続される。２つの電源ユニット２は、並列に接続される。線５を介して、２つの電源ユニット２は互いに同期し、節点４に接続された負荷が２つの電源ユニット２の間で一様に分配されるようにし、各電源ユニット２がいずれの場合にも同一の電力を提供するようにする。
【００１９】
２つの電源ユニット２の負荷端接続において、共通フィルタ６が節点４に接続される。このフィルタ６は、２つの電源ユニット２を、それらの負荷端出力において、増幅器で生じる高周波数エネルギを通じた干渉から保護する。フィルタ６は、Ｔフィルタ又はＰＩフィルタとして実現することができる。このフィルタは、例えば最大１５０Ａまでの電流のために設計されている。  ２つの電源ユニット２の相互接続及び結果としてもたらされる共通電源線を通じて、このフィルタは１回のみ必要とされる。これは、空間及びコストの節約を達成する。さらに、２つの電源ユニット２は、故障の場合に、影響を受ける電源ユニット２がその負荷端出力において短絡回路を接続しないように設けられる。さらに、２つの電源ユニット２は、それぞれ電源ユニット２にオープン・コレクタ（open  collector）を介して接続される状態線７１、７２を備える。電源ユニット２が故障した場合、状態線７１、７２はアースに接続される。
【００２０】
共通電源線８は、２つの電源ユニット２にフィルタ６を介して接続され、電力増幅器１内の多数の個々のコンポーネント群に電力を供給する。これらのコンポーネント群のうちの幾つかは、電力増幅器１の動作に必要であり、全体の故障を回避するために、電源ユニット２が故障した場合にも強制的にエネルギを供給され続けなければならない。これらのコンポーネント群は、中央機能ユニット９、つまり、制御部１０、高周波数検出器１２を備えた電源レギュレータ１１、エラー・モニタ１３、少なくとも１つのファン１４、前置増幅器１５及びドライバ増幅器１６のようなコンポーネントを有する。これらの機能ユニット９の全ては共通電源線８に接続される。
【００２１】
入力１７において、信号源からの増幅されるべき信号は、図示されないが、電力増幅器１の前置増幅器１５に供給される。前置増幅器１５の出力は、ドライバ増幅器１６の入力に接続される。ドライバ増幅器１６の出力は、パワー・スプリッタ１８に接続される。パワー・スプリッタ１８は、望ましくは９０°ハイブリッド・カプラとして実装される３つのカプラ１９１、１９２、１９３を有し、入力信号を比較的低いレベルの幾つかの出力信号に分割する。第１のカプラ１９１は、例えばウィルキンソン・カプラとして実装することもでき、又は任意の設計を設けることもできる。しかしながら、第１のカプラ１９１は、この場合、９０°ハイブリッド・カプラとして実現され、その入力はドライバ増幅器１６の接続に接続される。第１の９０°ハイブリッド・カプラ１９１の出力は、負荷平衡抵抗器２０１を介してアースに接続される。負荷平衡抵抗器２０は、入力と出力との間の電力差を吸収する。第１の９０°ハイブリッド・カプラ１９１の別の出力は、第２のハイブリッド・カプラ１９２の入力に接続される。第１の９０°ハイブリッド・カプラ１９１の第３の出力は、第３の９０°ハイブリッド・カプラ１９３の入力に接続される。ドライバ増幅器１６から来る信号は、第１の９０°ハイブリッド・カプラ１９１の出力において及び第２の９０°ハイブリッド・カプラ１９２の入力において−９０°の位相変位を提供する。
【００２２】
第２の９０°ハイブリッド・カプラ１９２は、１つの出力において、アースに接続された負荷平衡抵抗器２０２を備える。９０°ハイブリッド・カプラ１９２の別の出力は、出力段コンポーネント２１１に接続される。出力段コンポーネント２１１の入力における信号は、ドライバ増幅器１６の出力における信号に対して−１８０°変位している。９０°ハイブリッド・カプラ１９２の別の出力は、出力段コンポーネント２１２に接続される。出力段コンポーネント２１２の入力における信号は、ドライバ増幅器１６の出力における信号に対して−９０°変位している。
【００２３】
第３の９０°ハイブリッド・カプラ１９３は、１つの出力において、アースに接続された負荷平衡抵抗器２０３を備える。９０°ハイブリッド・カプラ１９３の別の出力は、出力段コンポーネント２１３に接続される。出力段コンポーネント２１３の入力における信号は、ドライバ増幅器の出力における信号に対して変位しない。９０°ハイブリッド・カプラ１９３の別の出力は、出力段コンポーネント２１４に接続される。出力段コンポーネント２１４の入力における信号は、ドライバ増幅器１６の出力における信号に対して−９０°変位している。
【００２４】
３つの９０°ハイブリッド・カプラ１９１、１９２、１９３を介して、入力信号は４つの信号に分割される。これらの４つの信号は、入力信号に対して位相変位し、それらのレベルは、それぞれの場合に、入力信号のレベルの４分の１に一致している。第１の９０°ハイブリッド・カプラ１９１は、ウィルキンソン・カプラとして実装することもできる。これらのカプラの出力における信号は、この例では互いに対して如何なる位相変位もない。
【００２５】
異なる出力段コンポーネント２１１、２１２、２１３、２１４は、同一に構築されることが望ましい。９０°ハイブリッド・カプラ１９２、１９３の出力から来る入力信号は、パワー・スプリッタ２２に供給される。このパワー・スプリッタは、入力信号を均一に２つの信号に分割する。これらの信号は、それぞれ出力段増幅器２３に供給される。これらの出力段増幅器２３のそれぞれは、共通電源線８に接続される。これらの出力段増幅器２３のそれぞれの出力は、パワー・カプラ２５に接続される。このパワー・カプラ２５は、２つの信号を結合して、比較的高い振幅を有する１つの信号を形成する。この例示的な実施形態では、電力増幅器は、少なくとも２つの電源ユニット２及び少なくとも４つの出力段コンポーネント２１を備える。電源ユニットは、それらの負荷端接続において共に接続され、出力段コンポーネントにエネルギを供給する。２つの出力段コンポーネント２１１、２１２及び２１３、２１４は、それぞれ１つの９０°ハイブリッド・カプラ１９１、１９２、１９３により駆動され、それぞれ出力段コンポーネント３２１及び３２２を形成する。電源ユニット２が故障した場合に、２つの出力段コンポーネント２１１、２１２若しくは２１３、２１４、又は出力段コンポーネント３２１、３２２のような対応する１つは、能動的にオフに切り替えられる。
【００２６】
能動的にオフに切り替えるという概念は、この例示的な実施形態では、出力段コンポーネント２１のパワー・トランジスタのバイアス電圧がオフに切り替えられるだけでなく、影響を受ける出力段コンポーネント２１の高周波数制御電力も切断されることを意味すると理解されるべきである。これは、影響を受ける電源ユニット２からの出力である、状態線７上の制御信号を用いて直接的に実施される。ここで、例えば線上の電流を検出し及び遅延した調整命令を出力する如何なる追加の装置も必要ない。この制御信号は、切り替えユニット３１及び影響を受ける出力段コンポーネント２１のスイッチ素子３０に供給される。制御信号は、例えば電源ユニット２の故障を示すエラー信号であってもよい。しかしながら、制御信号自体は、負荷状態の分類が重篤に達するか、又は電源ユニット２内のコンポーネントが所定のパラメータの外側で動作すると直ぐに出力されうる。正確には、この最後の動作状態は、外部機器に登録することができない。
【００２７】
種々の出力段コンポーネント２１１、２１２、２１３、２１４のパワー・カプラ２５の出力は、パワー・カプラ２６に接続される。この例のパワー・カプラ２６は、パワー・スプリッタ１８の３つの９０°ハイブリッド・カプラ１９１、１９２、１９３に対向して配置された３つのハイブリッド・カプラ２７１、２７２、２７３を有する。したがって、互いに位相変位された個々の入力信号は、入力信号がそれぞれの場合に共に加算され互いに相殺しないように、結合され出力信号を形成する。出力接続２９において、出力信号が供給される。この出力信号の振幅は、個々の出力段コンポーネント２１１、２１２、２１３、２１４の個々の出力段増幅器２３の出力における信号の振幅の和を結合したものである。
【００２８】
この目的のため、第１の出力段コンポーネント２１１の出力における信号は、第２の９０°ハイブリッド・カプラ２７２の第１の入力に供給される。第２の出力段コンポーネント２１２の出力における更なる信号は、第２の９０°ハイブリッド・カプラ２７２の第１の入力に供給される。第１の９０°ハイブリッド・カプラ２７２の出力は、アースに接続される負荷平衡抵抗器２８２に接続される。第２の９０°ハイブリッド・カプラの第２の出力に現れる信号は、第２の９０°ハイブリッド・カプラ２７２により−９０°だけ変位され、したがって９０°ハイブリッド・カプラ２７２の第１の出力に現れる信号と同相である。２つの信号の和は、９０°ハイブリッド・カプラ２７２の更なる出力に現れ、第１の９０°ハイブリッド・カプラ２７１の第１の入力に接続される。
【００２９】
同様のことが、パワー・カプラ２６の第３の９０°ハイブリッド・カプラ２７３の信号についても適用される。第３の出力段コンポーネント２１３の出力における信号は、第３の９０°ハイブリッド・カプラ２７３の第１の出力に供給される。第４の出力段コンポーネント２１４の出力における更なる信号は、第３の９０°ハイブリッド・カプラ２７３の第２の入力に供給される。９０°ハイブリッド・カプラ２７３の出力は、アースに接続される負荷平衡抵抗器２８３に接続される。第３の９０°ハイブリッド・カプラの第１の入力に現れる信号は、第３の９０°ハイブリッド・カプラ２７３により−９０°だけ変位され、したがって９０°ハイブリッド・カプラ２７３の第１の入力に現れる信号と同相である。２つの信号の和は、９０°ハイブリッド・カプラ２７３の更なる出力に現れ、９０°ハイブリッド・カプラ２７１の第２の入力に接続される。
【００３０】
第１の９０°ハイブリッド・カプラ２７１の出力は、アースに接続される負荷平衡抵抗器２８１に接続される。第１の９０°ハイブリッド・カプラの第２の入力に現れる信号は、第１の９０°ハイブリッド・カプラ２７１により−９０°だけ変位され、したがって９０°ハイブリッド・カプラ２７１の第１の入力に現れる信号と同相である。２つの信号の和は、９０°ハイブリッド・カプラ２７２の更なる出力に現れ、出力接続２９に接続される。
【００３１】
カプラ２７１は、９０°ハイブリッド・カプラである必要はない。カプラ２７１は、例えばウィルキンソン・カプラとして実装できる。しかしながら、両方のカプラ１９１及び２７１が同じ種類であれば有利である。
【００３２】
電源ユニット２が故障した場合、電力増幅器１が低下した出力電力でも動作し続けるために、差し支えない消費部品は、残りの消費部品が依然として利用可能な電源ユニット２により電力を供給され続けられるように、オフに切り替えられなければならない。この例では、中央機能ユニット９はエネルギを供給されるべきであることが考慮されなければならない。本発明のこの例示的な実施形態では、各電源ユニット２は、２つの出力段コンポーネント２１及び中央機能ユニット９にエネルギを供給することができる。一方の電源ユニット２が故障した場合、関連する状態線７１又は７２の電位は、オープン共通コレクタ回路によりアースに接続される。
【００３３】
したがって、第１の電源ユニット２の状態線７１は、スイッチ素子３０に接続される。これは、図示されず、出力段コンポーネント２１１及び２１２の出力段増幅器２３の内部に配置される。図示されないこのスイッチ素子３０を介して、出力段増幅器２３の内部の個々のパワー・トランジスタのバイアス電圧はオフに切り替えられる。したがって、出力段ユニットの電力入力は、殆どゼロまで低減される。しかしながら、出力段増幅器２３は、パワー・スプリッタ１８、２２を介して一定の高周波数入力電力を供給され続ける。使用される増幅技術に依存して、相互変調生成物が、パワー・カプラ２５及び２７を介して電力増幅器１の出力接続２９に到達し、出力段増幅器２３内で生じうる。これは、個々のパワー・トランジスタが、この場合には堅調に非線形に動作するからである。
【００３４】
したがって、高周波数入力電力が、既に能動的にオフに切り替えられている出力段増幅器２３から切断される必要が依然として存在する。この目的のため、パワー・スプリッタ１９２の２つの出力を出力段コンポーネント２１１及び２１２の入力に接続する線は、切り替えユニット３１を介してアースに接続される。以下に更に詳細に記載される切り替えユニット３１は、状態線７１のエラー信号を介してアクティブにされる。したがって、これ以上は、高周波数入力電力は、既に能動的にオフに切り替えられている出力段増幅器２３に供給されない。したがって、これ以上は、相互変調生成物は、電力増幅器１の出力接続２９において生じない。しかしながら、この設計は、パワー・スプリッタ１８が９０°ハイブリッド技術を用いて構築される場合に、意味があり可能なだけである。この例では、パワー・スプリッタ１８の誤差整合の発生は、パワー・カプラのバイアス電圧がオフに切り替えられている間、及び高周波数入力電力が切断されている間のみ、確実に回避されるだけである。したがって、反射電力は、負荷平衡抵抗器で吸収される。これは、顕著な波形及び関連する不要な周波数応答の発生を回避する。依然として動作中の残りの出力段コンポーネントは、オフに切り替えられている出力段コンポーネントにより影響を受けることなく、動作点において同一の入力信号により動作し続ける。切り替えユニット３１は、例示的な実施形態では９０°ハイブリッド・カプラとして実装され負荷平衡抵抗器を設けなければならないパワー・スプリッタ２２の後ろに配置できる。詳細な説明は、図５の説明で提供される。
【００３５】
同様のことが、出力段コンポーネント２１３、２１４に適用される。第２の電源ユニット２の状態線７２は、ここでは、スイッチ素子３０に接続される。これは、図示されず、出力段コンポーネント２１３及び２１４の出力段増幅器２３の内部に配置される。第２の電源ユニットが故障した場合、出力段増幅器２３内の個々のパワー・トランジスタのバイアス電圧は、状態線７２上のエラー信号により、ここでは図示されないスイッチ素子３０を通じてオフに切り替えられる。
【００３６】
内部変調生成物を回避するため、高周波数入力電力は、出力段コンポーネント２１３、２１４の既に能動的にオフに切り替えられた出力段増幅器２３から切断できる。これは、既に説明したように、パワー・スプリッタ１８の２つの出力を出力段コンポーネント２１３及び２１４の入力に接続する線がそれぞれ切り替えユニット３１を介してアースに接続されるので起こる。これらの切り替えユニット３１は、状態線７２のエラー信号により駆動される。
【００３７】
図示された種類の結線では、各電源ユニット２の状態線７は、所与の数のスイッチ素子３０及び切り替えユニット３１に接続される。しかしながら、この種の結線は、ｎ個の電源ユニット２に対して無制限に連続することができる。この例では、ｎ個の電源ユニット２の状態線７は、ｐ個のスイッチ素子３０及び任意的にｑ個の切り替えユニット３１に接続される。したがって、パワー・スプリッタ１８及びパワー・カプラ２６は、この例示的な実施形態では、示されるより多くの９０°ハイブリッド・カプラ２０、２７を備えなければならない。
【００３８】
図２は、電力増幅器１の冗長電源のための本発明による回路構成の更なる例示的な実施形態の回路図を示す。電力増幅器１の構造に依存して、電力増幅器の更なる動作が固定電力出力まで可能かなだけかどうかが重要である。１又は複数の電源ユニットが故障した場合、残りの出力電力は、冒頭で提供された式に従って計算できる。図２の例示的な実施形態では、電力増幅器１は、正確に２つの電源ユニット２によりエネルギを供給される。一方の電源ユニット２が故障した場合、電力増幅器１の更なる動作は、依然として意味があり可能であるが、両方の電源ユニット２が故障した場合は、動作はもはや不可能である。
【００３９】
スイッチ素子３０及び切り替えユニット３１の数を低減し、それにより電力増幅器１のコストを低減するために、いずれかの電源ユニット２が故障した場合は常に、スイッチ素子３０及び任意的に切り替えユニット３１を備えた出力段コンポーネント２１は、オフに切り替えられる。この例では、電源ユニット２が故障した場合には常に、出力段ユニット３２１は能動的にオフに切り替えられる。したがって、この例では、全ての電源ユニット２の状態線７は、節点４０において全て互いに接続される。各状態線７は電源ユニット２のオープン・コレクタ出力に接続されるので、節点４０における共通接続はＯＲ接続として機能する。この例示的な実施形態では、電源ユニット２が不良により故障した場合、故障した電源ユニット２は、状態線７を介して共通エラー信号を出力する。この共通エラー信号は、パワー・スプリッタ１９２の出力に接続された出力段コンポーネント２１１、２１２のパワー・トランジスタのバイアス電圧をオフに切り替える。したがって、出力段コンポーネント２１１、２１２は、ほぼ無電流状態に切り替えられる。任意的に、高周波数入力電力は、共通エラー信号が状態線７を介して供給される切り替えユニット３１を備えた出力段コンポーネント２１１、２１２から切断されたままであってもよい。しかしながら、他の出力段コンポーネント２１３、２１４はオフに切り替えられない。
【００４０】
提供された説明を除いて、電力増幅器１の冗長電源の回路構成のための本発明によるこの更なる例示的な実施形態の構造及び機能する方法は、図１の例示的な実施形態に対応する。ここで、図１を参照する。
【００４１】
本発明による更なる例示的な実施形態では、図示されないが、２つより多い電源ユニット２が図２の電力増幅器１に統合されてもよい。したがって、出力段コンポーネント２１の数、パワー・スプリッタ１８及びパワー・カプラ２６内の９０°ハイブリッド・カプラ１９、２７の数は、スイッチ素子３０及び切り替えユニット３１と同様に適宜増加できる。例えば、電力増幅器１は、８個の出力段コンポーネント２１及びそれぞれにパワー・スプリッタ１８及びパワー・カプラ２６内に７個の９０°ハイブリッド・カプラ１９、２７を備える。これらは、共に、電源ユニット２により電力を供給される。しかしながら、１つより多い電源ユニット２が故障したときの動作は幾つかの用途では意味がないので、２つの出力段コンポーネント２１のみが、スイッチ素子３０及び切り替えユニット３１に接続できる。
【００４２】
図３は、本発明による別の例示的な実施形態を示す。図３は、基本的に図２の回路図の拡張である。したがって、ここで図２の説明を参照する。図２とは対照的に、ｎ個の電源ユニット２が、ｎ個の出力段ユニット３２１、３２２、３２ｎにエネルギを供給している。ｎ個の電源ユニット２の全ての状態線７は、節点４０において互いに直接接続される。状態線７は電源ユニット２のオープン・コレクタ出力に取り付けられるので、節点４０はＯＲ関数と考えられる。節点４０は、出力段ユニット３２１のスイッチ素子３０及び切り替えユニット３１にのみ接続される。これに続き、どの電源ユニット２が故障するかに関わらず、出力段ユニット３２１の出力段コンポーネント２１は、常に能動的にオフに切り替えられる。或いは、ｎ個の電源ユニット２のうちの少なくとも１つが故障した場合、出力段コンポーネント２１並びに共通エラー信号が供給されるスイッチ素子３０及び／又は切り替えユニット３１を備えた対応する出力段ユニット３２１のパワー・トランジスタのバイアス電圧は、オフに切り替えられる。
【００４３】
図２と比較すると、図３には明らかにかなり多くのカプラがある。明確化のため、出力段コンポーネント２１及び出力段ユニット３２１乃至３２ｎに直接接続される９０°ハイブリッド・カプラのみがそれぞれ示される。しかしながら、９０°ハイブリッド・カプラの構造及び結線は、図２と同様に実施される。本発明によるこの更なる例示的な実施形態の特定の利点は、結線コストが低減されることである。なぜなら、正確には最高で１つの電源ユニット２が故障した場合、又は電源ユニット２が、２つの電源ユニット２が同時に故障する可能性が低いという良好な信頼性を提供する場合、動作は依然として意味があると考えられるからである。
【００４４】
図４は、電力増幅器１の冗長電源のための本発明による回路構成の更なる例示的な実施形態の回路図を示す。構造及び機能する方法は、実質的に図１のものと対応する。対照的に、本発明によるこの例示的な実施形態は、ｎ個の電源ユニット２を１つの電力増幅器１に統合でき、それによりスイッチ素子３０及び切り替えユニット３１の数、したがって生産コストを可能な限り低く保つ回路構成を提供する。
【００４５】
全ての電源ユニットは、それらの負荷端接続において共に接続される。この例示的な実施形態では、種々の電源ユニット２の個々の状態線７は、１若しくは複数のスイッチ素子３０又は１若しくは複数の切り替えユニット３１に又は互いに直接接続されない。これらｎ個の電源ユニット２からの全ての状態線７は、それぞれ、論理ユニット５０の入力に接続される。ここで、論理ユニット５０の最大ｎ−１本の出力線は、最大ｎ−１個の出力段ユニット３２のスイッチ素子３０又は切り替えユニット３１に接続される。また、出力段ユニット３２は２つの出力段コンポーネント２１を備える。ここで、有利なことに、スイッチ素子３０及び任意的に切り替えユニット３１に適合しなければならない出力段コンポーネント２１の数だけ、故障しうる電源ユニット２が存在し、動作は依然として可能なままである。
【００４６】
論理ユニット５０は、故障した電源ユニット２の数を電源ユニット２の状態線７のエラー信号を介して登録し、必要な数の出力段コンポーネント２１をオフに切り替える。出力段コンポーネント２１の増幅器ユニット２３のパワー・トランジスタのバイアス電圧は、スイッチ素子３０を介してオフに切り替えられる。また、任意的に、出力段コンポーネント２１の入力からの高周波数入力電力は、切り替えユニット３１を介してアースに接続される。したがって、電力は反射され負荷平衡抵抗器に供給される。スイッチ素子３０及び切り替えユニット３１は、論理ユニット５０により主として制御される。したがって、スイッチ素子３０及び切り替えユニット３１の数は少なく保たれ、電源ユニット２の故障は、各々、論理ユニット５０により登録され、切り替え動作が同時に実施される。論理ユニット５０は、共通電源線に接続される。共通電源線には中央機能ユニット９も接続される。
【００４７】
論理ユニット５０自体は、ＡＮＤゲート及びＯＲゲートのような個々の論理機能を有してもよい。論理ユニット５０は、有利なことに、マイクロコントローラで又はプログラマブル論理モジュールＦＰＧＡで実現される。このようなモジュールは、制御及び調整のために既に備えられており、ソフトウェア変更を介して簡単に変更が実施できるという利点を提供する。パワー・スプリッタ１８及びパワー・カプラ２６は、所要の数の９０°ハイブリッド・カプラを含む。第１／第２の９０°ハイブリッド・カプラと及び第３の９０°ハイブリッド・カプラとの間の接続は、点線により示される。出力段コンポーネント２１の数に依存して、示されるより多くの９０°ハイブリッド・カプラをパワー・スプリッタ１８及びパワー・カプラ２６内に設けることができる。
【００４８】
同様に、更なる出力段コンポーネント２１が点線により示され、ｎ個の出力段コンポーネント２１の全ての１つの電力増幅器１内に組み込まれることを示している。これは、本発明によるスイッチ構成を用いて、幾つかの電源ユニット２、出力段コンポーネント２１及びカプラによる使用のために、どのように電力増幅器１が非常に簡単に調整されるかを示す。点線で示される出力段コンポーネント２１は、中央論理ユニとから制御されるスイッチ素子３０及び切り替えユニット３１を備える。さらに、更なる出力段コンポーネント２１への接続は、点線で示され、表示された出力段コンポーネント２１と共に出力段ユニット３２を形成する。しかしながら、全ての更なる出力段コンポーネント２１は、必ずしもスイッチ素子３０及び切り替えユニット３１を有する必要はない。
【００４９】
電力増幅器１の冗長電源のための回路構成の本発明によるこの更なる例示的な実施形態を通じて、電源のための高い冗長性を有するシステムを、最大ｎ個の電源ユニット２の使用のために、少数のスイッチ素子３０及び切り替えユニット３１で作ることができる。
【００５０】
例として選択された出力分割器１８の９０°ハイブリッド・カプラ１９２に関連して、図５は、何故、９０°ハイブリッド・カプラ１９２の２つの出力が切り替えユニット３１によりアースに同期して接続される必要があるかを説明する。負荷平衡抵抗器２０２に加えて、９０°ハイブリッド・カプラ１９２は、２つの出力に切り替えユニット３１を備える。切り替えユニット３１は、出力をアースに接続でき、それにより２つの出力信号を出力接続６１、６２から切断する。出力段コンポーネント２１１、２１２は、出力接続６１、６２に接続される。高周波数信号は、入力接続６０に接続される。通常動作中、２つの出力段コンポーネント２１１、２１２は動作しており、切り替えユニット３１は図５に示される位置に配置される。入力接続６０における高周波数信号の一部は、出力接続６２を通じて出力段コンポーネント２１２に導かれる。高周波数信号の別の部分は、９０°ハイブリッド・カプラ１９２を通じて流れ、−９０°の位相変位を有して出力接続６１を通じて出力段コンポーネント２１１へ導かれる。整合している場合には、電力は負荷平衡抵抗器２０２へ導かれない。
【００５１】
出力段コンポーネント２１１、２１２がオフに切り替えられる場合、切り替えユニット３１は閉じられ、９０°ハイブリッド・カプラ１９２の２つの出力をアースに接続する。入力６０に接続される信号の一部は、第２の出力接続６２へ向かう方向に、９０°ハイブリッド・カプラ１９２を通じて移動する。９０°ハイブリッド・カプラ１９２のこの出力における信号の位相変位は、０°である。信号は節点６３で反射される。節点６３は、スイッチ素子３１を通じてアースに接続される。ここで、位相変位は０°のままである。この反射信号の一部は、９０°ハイブリッド・カプラ１９２の第２の出力から、ハイブリッド・カプラ１９２の入力接続６０へ戻り、そこで０°の位相変位を提供する。この反射信号の一部は、９０°ハイブリッド・カプラ１９２の第２の出力から、９０°ハイブリッド・カプラ１９２を通って移動し、負荷平衡抵抗器２０２が接続されたハイブリッド・カプラ１９２の出力において−９０°の位相変位をもって現れる。第２の出力において現れない、９０°ハイブリッド・カプラ１９２の入力接続６０における信号の一部は、９０°ハイブリッド・カプラ１９２を通過し、第１の出力において−９０°の位相変位をもって現れる。節点６４はアースに接続され、９０°ハイブリッド・カプラ１９２の第１の出力に接続される信号が反射されるようにする。ここで、位相変位は−９０°のままである。反射信号の一部は、９０°ハイブリッド・カプラ１９２を通過し、負荷平衡抵抗器２０２が接続されている点で−９０°の位相変位をもって出る。
【００５２】
第２の出力から来る信号及び第１の出力から来る信号は、負荷平衡抵抗器２０２が接続されている点で同じ−９０°の位相変位を備える。２つの信号は加算され、エネルギは負荷平衡抵抗器２０２により吸収される。この反射信号の別の一部は、第１の出力から９０°ハイブリッド・カプラ１９２を通過し、ハイブリッド・カプラ１９２の入力６０へ戻り、そこで−１８０°の位相変位を提供する。ここで、第２の入力から来る信号は、０°の位相変位を提供する。２つの信号は、それらの振幅に関して同一の大きさを有するが、位相は１８０°異なる。したがって、それらは入力３０において互いに打ち消し合う。これは、２つの出力からの全ての反射電力が、負荷平衡抵抗器２０２を通り、そこで完全に吸収されることを意味する。したがって、如何なる電力も入力６０に反射されない。入力６０は、切り替え前と同じ良好な整合を提供する。したがって、依然として動作中の出力段増幅器の性能に影響を与えうる望ましくない周波数応答の発生を防ぐことができる。しかしながら、これは、９０°ハイブリッド・カプラ１９２の２つの出力が同調して互いに接続されるときにのみ生じる。これは、提示された本発明の例示的な実施形態の全ての場合に当てはまる。
【００５３】
図６は、本発明による電力増幅器１の冗長電源のための回路構成のスイッチ素子３０の可能な実施形態、及びそれがパワー・トランジスタのバイアス電圧をオフに切り替えるためにどのように用いられるかを示す。電圧が、接続７１に印加され、直列抵抗器７２を通じて節点７４に、したがってトランジスタ７５のコレクタに供給される。トランジスタ７５のベースは、信号線７に接続される。信号線７を通じて、電源ユニット２又は論理ユニット５０から来るエラー信号が、トランジスタ７５に供給される。エミッタはアースに接続される。更なるトランジスタ７６のベースは、節点７４に接続される。更なるトランジスタ７６のエミッタは、再びアースに接続される。トランジスタ７６のコレクタは、パワー・トランジスタのベース８１又はゲート８１にインダクタンス７７を介して接続される。
【００５４】
ＤＣ電圧は、接続８０に印加され、パワー・トランジスタのベース又はゲート８１に、インダクタンス７８及び直列抵抗器７９を通じて供給される。インダクタンス７８は、高周波数信号がＤＣ電圧源に結合されないよう機能する。通常動作中、トランジスタ７５は導通し、それによりトランジスタ７６を抑制する。エラーが生じた場合、トランジスタ７６が導通し始めると直ぐに、トランジスタ７５が抑制される。ＤＣ電圧成分は、直列抵抗器７９及びインダクタンス７８を通じてパワー・トランジスタのベース又はゲート８１に印加され、再びインダクタンス７７及びトランジスタ７６を通じてアースに排出される。出力信号は、論理ユニット５０を介して直接反転されるので、トランジスタ７５は不要である。トランジスタに加え、他の半導体部品も使用できる。リレーのような機械的スイッチも、スイッチ素子３０のために使用できる。信号ストリームのみが接続され、従って如何なる高電力も接続されないので、ＳＭＤ技術により提供される小型且つコスト効率の良い構造を用いることが可能である。
【００５５】
図７は、本発明による電力増幅器１の冗長電源のための回路構成のスイッチユニット３１の可能な実施形態、及びそれが高周波数入力電力を出力段コンポーネント２１と切断するためにどのように用いられるかを示す。入力接続６３、６４は、図５の節点６３又は節点６４に対応する。これは、結合キャパシタ９５を介して節点９８に接続され、したがって出力接続６１、６２に接続される。これも図５に示される。ＰＩＮ（positive  intrinsic  negative）ダイオード９６のカソードは、節点９８に接続される。ＰＩＮダイオード９６のアノードは、一方ではキャパシタ９７を通じてアースに接続され、他方ではインダクタンス９９を通じて入力接続９１に接続される。
【００５６】
さらに、節点９８は、一方ではインダクタンス９４を介してトランジスタ９３のコレクタに接続され、他方では直列抵抗器９２に接続される。直列抵抗器９２は、その第２の出力で入力接続９０に接続される。トランジスタ９３のエミッタは、アースに接続される。更なるトランジスタ１００のコレクタは、トランジスタ９３のベースに接続される。ＤＣ電圧は、直列抵抗器１０１を介してトランジスタ１００のコレクタに接続される。トランジスタ１００のエミッタはアースに接続され、状態線７を通じて来るエラー信号は、トランジスタ１００のベースに接続される。入力接続９１に印加されるＤＣ電圧より大きいＤＣ電圧が、入力接続９０に印加されなければならない。
【００５７】
通常動作中、トランジスタ１００は導通し、トランジスタ９３は抑制される。ダイオード９６のカソードにおける電圧は、ダイオード９６のアノードにおける電圧よりも高い。ダイオード９６は、この状態では非導通である。入力接続６３、６４に加えられる高周波数入力電力は、出力接続６１、６２においてタップすることができる。
【００５８】
エラーが生じた場合、トランジスタ９３が導通し始めると直ぐに、トランジスタ１００が抑制される。ダイオード９６のカソードにおける電位は、インダクタンス９４及びトランジスタ９３を通じてアースに引き込まれる。アノードにおける電位が変わらないので、ダイオード９６は導通し始める。高周波数入力電力は、結合キャパシタ９５及びキャパシタ９７を通じてアースに導かれ、高周波数の全反射が節点６１、６４において生じる。これは、節点６３、６４に供給される信号が全て反射されることを意味する。インダクタンス９４及び９９は、高周波数入力電力の一部がＤＣ電源回路内に結合されるのを防ぐ。
【００５９】
本発明は提示された例示的な実施形態に限定されない。記載及び／又は説明された全ての要素は、本発明の枠組みの範囲内で必要に応じて結合することができる。エラー信号が論理ユニット５０を介して反転される場合、例えば、トランジスタ１００は不要である。示されたＰＩＮダイオード回路の代わりに、回路は、リレーを備えて構成することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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