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
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