Diplomarbeit. Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 1. Thomas Freyhoff

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1 Diplomarbeit Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern Thomas Freyhoff Universität Duisburg-Essen Hochfrequenztechnik Prof. Dr.-Ing. K. Solbach Rohde & Schwarz Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 1

2 Zielsetzung 1. Anhand eines bestehenden 150-W-Verstärkers sollen verschiedene Typen von Oberwellenfiltern untersucht werden. Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 2

3 Zielsetzung 1. Anhand eines bestehenden 150-W-Verstärkers sollen verschiedene Typen von Oberwellenfiltern untersucht werden. Welcher Oberwellenabschluss wirkt sich optimal auf Linearität und Wirkungsgrad aus? Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 2

4 Zielsetzung 1. Anhand eines bestehenden 150-W-Verstärkers sollen verschiedene Typen von Oberwellenfiltern untersucht werden. Welcher Oberwellenabschluss wirkt sich optimal auf Linearität und Wirkungsgrad aus? Welchen Einfluss hat die Anpassung auf Linearität und Wirkungsgrad? Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 2

5 Zielsetzung 1. Anhand eines bestehenden 150-W-Verstärkers sollen verschiedene Typen von Oberwellenfiltern untersucht werden. Welcher Oberwellenabschluss wirkt sich optimal auf Linearität und Wirkungsgrad aus? Welchen Einfluss hat die Anpassung auf Linearität und Wirkungsgrad? 2. Optimierung des bestehenden Ausgangsnetzwerkes Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 2

6 Gliederung Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 3

7 Gliederung Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 3

8 Gliederung Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Vermessung der Oberwellenfilter Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 3

9 Gliederung Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Vermessung der Oberwellenfilter Anwendungsbeispiel Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 3

10 Gliederung Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Vermessung der Oberwellenfilter Anwendungsbeispiel Optimierung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 3

11 Reflektierende Oberwellenfilter Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 4

12 Reflektierende Oberwellenfilter Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 4

13 Reflektierende Oberwellenfilter Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 4

14 Absorbierende Oberwellenfilter Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 5

15 Absorbierende Oberwellenfilter Bedingungen: Z e = Z T P Z HP Z T P +Z HP 50 Ω Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 5

16 Absorbierende Oberwellenfilter Bedingungen: Z e = Z T P Z HP Z T P +Z HP 50 Ω Z HP (f f o ) Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 5

17 Absorbierende Oberwellenfilter Bedingungen: Z e = Z T P Z HP Z T P +Z HP 50 Ω Z HP (f f o ) Z T P (f 2f u ) Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 5

18 Absorbierende Oberwellenfilter Bedingungen: Z e = Z T P Z HP Z T P +Z HP 50 Ω Z HP (f f o ) Z T P (f 2f u ) thermische Vorteile Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 5

19 Absorbierende Oberwellenfilter Bedingungen: Z e = Z T P Z HP Z T P +Z HP 50 Ω Z HP (f f o ) Z T P (f 2f u ) thermische Vorteile verbesserte Stabilität Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 5

20 Absorbierende Oberwellenfilter Bedingungen: Z e = Z T P Z HP Z T P +Z HP 50 Ω Z HP (f f o ) Z T P (f 2f u ) thermische Vorteile verbesserte Stabilität verbesserte Linearität? Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 5

21 Übersicht Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Vermessung der Oberwellenfilter Anwendungsbeispiel Optimierung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 6

22 Entwurf und Aufbau der OWF Das Kurzwellenband (1,5 MHz 30 MHz) wird in acht gleich große Frequenzbereiche aufgeteilt: f o f u = K f = 8 30 MHz = 1, 454 1,5 MHz Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 7

23 Entwurf und Aufbau der OWF Das Kurzwellenband (1,5 MHz 30 MHz) wird in acht gleich große Frequenzbereiche aufgeteilt: f o f u = K f = 8 30 MHz = 1, 454 1,5 MHz Ein schaltbares OWF pro Frequenzbereich Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 7

24 Entwurf und Aufbau der OWF Das Kurzwellenband (1,5 MHz 30 MHz) wird in acht gleich große Frequenzbereiche aufgeteilt: f o f u = K f = 8 30 MHz = 1, 454 1,5 MHz Ein schaltbares OWF pro Frequenzbereich Aufbau der Filter für drei Frequenzbereiche: F1: 1,5 MHz 2,2 MHz F4: 4,6 MHz 6,7 MHz F7: 14,2 MHz 20,6 MHz Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 7

25 Entwurf und Aufbau der OWF Anforderungen an die OWF: 1. max. Durchgangsdämpfung: 0,3 db Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 8

26 Entwurf und Aufbau der OWF Anforderungen an die OWF: 1. max. Durchgangsdämpfung: 0,3 db 2. min. Sperrdämpfung: 30 db Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 8

27 Entwurf und Aufbau der OWF Anforderungen an die OWF: 1. max. Durchgangsdämpfung: 0,3 db 2. min. Sperrdämpfung: 30 db 3. Anpassung im Durchlassbereich: -20 db Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 8

28 Entwurf und Aufbau der OWF Anforderungen an die OWF: 1. max. Durchgangsdämpfung: 0,3 db 2. min. Sperrdämpfung: 30 db 3. Anpassung im Durchlassbereich: -20 db 4. Anpassung im Sperrbereich (abs. OWF): -15 db Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 8

29 Entwurf und Aufbau der OWF Anforderungen an die OWF: 1. max. Durchgangsdämpfung: 0,3 db 2. min. Sperrdämpfung: 30 db 3. Anpassung im Durchlassbereich: -20 db 4. Anpassung im Sperrbereich (abs. OWF): -15 db Entwurf/Simulation der OWF mit Hilfe von Microwave Office Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 8

30 Entwurf und Aufbau der OWF Anforderungen an die OWF: 1. max. Durchgangsdämpfung: 0,3 db 2. min. Sperrdämpfung: 30 db 3. Anpassung im Durchlassbereich: -20 db 4. Anpassung im Sperrbereich (abs. OWF): -15 db Entwurf/Simulation der OWF mit Hilfe von Microwave Office Güte der Induktivitäten: Q L = 100 Güte der Kapazitäten: Q C = 5000 Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 8

31 Übersicht Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Vermessung der Oberwellenfilter Anwendungsbeispiel Optimierung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 9

32 Stromaufnahme Einton Messung: Einfluss der verschiedenen OWF auf die Stromaufnahme (Wirkungsgrad) Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 10

33 Stromaufnahme Mittelwerte: ohne OWF: I dc = 10, 30 A (η el = 0, 347) refl. OWF (KS): I dc = 10, 77 A (η el = 0, 332) abs. OWF: I dc = 10, 66 A (η el = 0, 335) Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 10

34 Stromaufnahme Mittelwerte: ohne OWF: I dc = 10, 30 A (η el = 0, 347) refl. OWF (KS): I dc = 10, 77 A (η el = 0, 332) abs. OWF: I dc = 10, 66 A (η el = 0, 335) Durchgangsdämpfung: α = 20 log ( 10,7 A 10,3 A ) = 0, 33 db Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 10

35 Intermodulationsabstand Zweiton Messung: Einfluss der verschiedenen OWF auf den Intermodulationsabstand Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 11

36 Intermodulationsabstand Mittelwerte: ohne OWF: refl. OWF (KS): abs. OWF: IMD = 37, 9 dbc IMD = 36, 7 dbc IMD = 37, 2 dbc Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 11

37 Intermodulationsabstand Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 12

38 Intermodulationsabstand sehr große Schwankungen innerhalb eines Filterbereichs Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 12

39 Intermodulationsabstand sehr große Schwankungen innerhalb eines Filterbereichs sehr große Schwankungen zwischen den einzelnen Filtern bei einer Frequenz Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 12

40 Intermodulationsabstand Mögliche Erklärungen: 1. Das Oberwellenfilter liefert für die Oberwellen eine (zufällig) günstige/schlechte Impedanz. Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 13

41 Intermodulationsabstand Mögliche Erklärungen: 1. Das Oberwellenfilter liefert für die Oberwellen eine (zufällig) günstige/schlechte Impedanz. Überprüfung: Verschieben der Oberwellenimpedanz mit Hilfe einer HF Leitung Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 13

42 Intermodulationsabstand Mögliche Erklärungen: 1. Das Oberwellenfilter liefert für die Oberwellen eine (zufällig) günstige/schlechte Impedanz. Überprüfung: Verschieben der Oberwellenimpedanz mit Hilfe einer HF Leitung 2. Durch das Oberwellenfilter wird die Endstufe (zufällig) besser/schlechter angepasst. Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 13

43 Intermodulationsabstand Mögliche Erklärungen: 1. Das Oberwellenfilter liefert für die Oberwellen eine (zufällig) günstige/schlechte Impedanz. Überprüfung: Verschieben der Oberwellenimpedanz mit Hilfe einer HF Leitung 2. Durch das Oberwellenfilter wird die Endstufe (zufällig) besser/schlechter angepasst. Überprüfung: Verschieben der Eingangsimpedanz mit Hilfe eines vorgeschalteten LC Netzwerks Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 13

44 Intermodulationsabstand Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 14

45 Intermodulationsabstand Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 14

46 Intermodulationsabstand Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 15

47 Intermodulationsabstand Verbesserungen einzelner Punkte durch vorgeschaltetes Anpassungsnetzwerk Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 15

48 Intermodulationsabstand Verbesserungen einzelner Punkte durch vorgeschaltetes Anpassungsnetzwerk kaum Beeinflussung der Stromaufnahme Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 15

49 Intermodulationsabstand Verlauf der optimalen Eingangsimpedanz Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 16

50 Übersicht Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Vermessung der Oberwellenfilter Anwendungsbeispiel Optimierung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 17

51 Anwendungsbeispiel Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 18

52 Anwendungsbeispiel Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 18

53 Anwendungsbeispiel Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 19

54 Zusammenfassung Ein Einfluss des Oberwellenabschlusses auf Wirkungsgrad und Intermodulationsabstand kann nicht eindeutig festgestellt werden. Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 20

55 Zusammenfassung Ein Einfluss des Oberwellenabschlusses auf Wirkungsgrad und Intermodulationsabstand kann nicht eindeutig festgestellt werden. Dagegen beeinflusst die Anpassung massiv das Intermodulationsverhalten. Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 20

56 Zusammenfassung Ein Einfluss des Oberwellenabschlusses auf Wirkungsgrad und Intermodulationsabstand kann nicht eindeutig festgestellt werden. Dagegen beeinflusst die Anpassung massiv das Intermodulationsverhalten. Die Einstellung der frequenzabhängigen optimalen Eingangsimpedanz bewirkt eine starke Verbesserung. Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 20

57 Übersicht Verschiedene Typen von Oberwellenfiltern Entwurf und Aufbau der Oberwellenfilter Vermessung der Oberwellenfilter Anwendungsbeispiel Optimierung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 21

58 Optimierung des OWFs Ziele: Reduzierung der Herstellungskosten Reduzierung der Anzahl der Spulen Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 22

59 Optimierung des OWFs Ziele: Reduzierung der Herstellungskosten Reduzierung der Anzahl der Spulen Verbesserung der Filtereigenschaften Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 22

60 Optimierung des OWFs Ziele: Reduzierung der Herstellungskosten Reduzierung der Anzahl der Spulen Verbesserung der Filtereigenschaften Mitberücksichtigung der Anpassung (Z e Z opt ) Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 22

61 Optimierung des OWFs Ziele: Reduzierung der Herstellungskosten Reduzierung der Anzahl der Spulen Verbesserung der Filtereigenschaften Mitberücksichtigung der Anpassung (Z e Z opt ) 1. Ermittlung der optimalen Anzahl an Filterbereichen Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 22

62 Optimierung des OWFs Ziele: Reduzierung der Herstellungskosten Reduzierung der Anzahl der Spulen Verbesserung der Filtereigenschaften Mitberücksichtigung der Anpassung (Z e Z opt ) 1. Ermittlung der optimalen Anzahl an Filterbereichen 2. Redesign des Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 22

63 Optimierung des OWFs Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 23

64 Optimierung des OWFs Normierte Sperrfrequenz: Ω s (N) = f S f D = 2f u f o = 2 K f = 2 Õ N f max f min = 2 ( ) 1 30 MHz N 1,5 MHz Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 23

65 Optimierung des OWFs Sperrdämpfung: α S = 30 db Durchgangsdämpfung: α D = 0, 3 db α( ) 20 db α s + α( ) = 50 db Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 23

66 Optimierung des OWFs 1. N = 5 Filterbereiche; Filterordnung ν = 7 Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 23

67 Optimierung des OWFs 1. N = 5 Filterbereiche; Filterordnung ν = 7 2. N = 7 Filterbereiche; Filterordnung ν = 5 Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 23

68 Optimierung des OWFs Schaltung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 24

69 Optimierung des OWFs Schaltung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 24

70 Optimierung des OWFs Schaltung des bestehenden Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 24

71 Optimierung des OWFs Redesign des Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 25

72 Optimierung des OWFs Redesign des Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 25

73 Optimierung des OWFs Redesign des Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 25

74 Optimierung des OWFs Redesign des Oberwellenfilters l 0 10 cm l FB 5 cm Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 25

75 Optimierung des OWFs Simulation des optimierten Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 26

76 Optimierung des OWFs Simulation des optimierten Oberwellenfilters Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 26

77 Optimierung des OWFs Vergleich beider Oberwellenfilter Anzahl der Kapazitäten bestehendes OWF 1234 optimiertes OWF 1234 Filterbereiche 8 7 Filterordnung 5 5 Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 27

78 Optimierung des OWFs Vergleich beider Oberwellenfilter Anzahl der Kapazitäten bestehendes OWF 1234 optimiertes OWF 1234 Filterbereiche 8 7 Filterordnung 5 5 α D,max 0,13 db 0,31 db 0,29 db 0,32 db α S,min 21,7 db 29,6 db 28,6 db 30,4 db Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 27

79 Optimierung des OWFs Vergleich beider Oberwellenfilter Anzahl der Kapazitäten bestehendes OWF 1234 optimiertes OWF 1234 Filterbereiche 8 7 Filterordnung 5 5 α D,max 0,13 db 0,31 db 0,29 db 0,32 db α S,min 21,7 db 29,6 db 28,6 db 30,4 db Anzahl der Spulen 12 8 Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 27

80 Optimierung des OWFs Vergleich beider Oberwellenfilter Anzahl der Kapazitäten bestehendes OWF 1234 optimiertes OWF 1234 Filterbereiche 8 7 Filterordnung 5 5 α D,max 0,13 db 0,31 db 0,29 db 0,32 db α S,min 21,7 db 29,6 db 28,6 db 30,4 db Anzahl der Spulen 12 8 Anzahl der Schalter Anzahl der Relais (abh. vom Layout) Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 27

81 Optimierung des OWFs Vergleich beider Oberwellenfilter Anzahl der Kapazitäten bestehendes OWF 1234 optimiertes OWF 1234 Filterbereiche 8 7 Filterordnung 5 5 α D,max 0,13 db 0,31 db 0,29 db 0,32 db α S,min 21,7 db 29,6 db 28,6 db 30,4 db Anzahl der Spulen 12 8 Anzahl der Schalter Anzahl der Relais (abh. vom Layout) Anzahl der Kapazitäten Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 27

82 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 28

83 Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 29

84 Untersuchung neuer Technologien zur Realisierung von Kurzwellen-Leistungsverstärkern 30