CN100334774C - 微波开关及功率放大器热备份与互助系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种微波单刀双掷开关，用于无线射频系统或微波系统中，由多段传输线和多个开关器件按一定拓扑结构连接而成，该微波单刀双掷开关具有信号切换及功率分配与合路功能，并且具有电路简单，端口无反射信号或阻抗匹配特性好等优点，因此具有很强的实用性。本发明还公开了一种利用所述微波单刀双掷开关实现N个扇区射频功率放大器的热备份与互助功能的系统，该系统各扇区共用一个备份功率放大器，当系统中某一扇区的功率放大器出现故障时，备份的功率放大器在不停电停机的情况下，立即替代出故障的功率放大器工作，并且各扇区之间具有很高的隔离度。

Description

微波开关及功率放大器热备份与互助系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及通讯设备中具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关结构；以及在无线接入及微波系统中采用该结构微波开关实现的射频功率放大器的N+1热备份与互助系统及其实现方法。

背景技术

微波单刀双掷开关广泛应用于无线射频系统或微波系统中，进行信号的切换。功分器也在射频系统中得到广泛应用，将某一输入功率按一定的比例分配到各分支电路中，或者反过来用于功率合路。在低频电路中，由于波长远大于传输线或元件尺寸，属于集总参数电路，任何时刻，传输线上的各点电位处处相等，但在微波领域，随着波长缩短至与传输线长度相比拟的程度，传输线的特性就完全不同了，传输线上的电位不是处处相等的。例如，25％波长的传输线，在微波电路是一个重要的分布参数元件。如图1所示，端口一到端口二之间的传输是主信号通路，如果有一段25％波长的传输线也接在这段主信号通路，且另一端短路，相当于这段25％波长的传输线对微波信号没有作用，虽然传输线终端是对地短路点，但在传输线上相隔25％波长的地方，就一定是对地开路点。与低频电路不一样，在图1中，微波信号不会跑到接地点消失，而只能从端口一顺利传输到端口二，也能从端口二顺利传输到端口一。

利用传输线的这种特征，把接地点换成开关，就成为微波开关电路。如图2所示，常用的微波单刀双掷开关由三段特征阻抗为Z0的传输线呈星形接法，连接在一起，当开关器件SW1闭合、SW2断开时，端口一与端口三是连通的；当SW1断开、SW2闭合时，端口一与端口二是连通的，开关器件SW1、SW2可采用微波PIN二极管。由此可见，在端口一输入微波信号时，单刀双掷开关只有两种状态，一种状态是端口二有信号、端口三无信号，另一种状态是端口三有信号、端口二无信号。若按照低频电路的思路，SW2、SW3同时断开时，端口一的信号能到达端口二，也能到达端口三，但这种电路状态有很大的缺点：在图2中的A点“三岔口”处，阻抗不连续，从任一端口向内传输的微波信号，都会有反射信号到输入端，并且理论上可计算出，任意端口的回波损耗都是-9.5dB，这个指标太差了，而常规微波设备的回波损耗指标的一般要求是至少优于-18dB，因此根本不具有实用价值。很明显，这种单刀双掷开关的功率分配与合路功能很差，不能应用于放大器热备份与互助系统。

现有技术中还有一种用微波电子开关芯片或微波继电器、功分器组合出一种拓朴结构，可以实现微波信号的切换、信号的分路与合路功能，但电路复杂，使用器件多，从而导致可靠性下降、成本上升。

射频功率放大器广泛应用在无线接入及微波系统中，进行信号的放大，在系统中是一个重要的部件，在CDMA无线接入多载波系统中，如果某个扇区的功放有故障，这个扇区的手机用户就打不通电话，将对移动通信运营商的服务质量产生负面影响，所以，CDMA无线接入多载波系统对功率放大器的稳定性和可靠性提出了很高的要求。但功率放大器工作在大电流、高电压状态，热环境也不好，容易出问题。所以要开发功率放大器的热备份技术，以提高稳定性。

以下都以三扇区为例。如图3所示，常规的技术是每个扇区都有至少一个功率放大器，任何一个功率放大器都是只放大本扇区的输入信号，与其它扇区信号无关，功率放大器之间没有关系，互相隔离。IN1的输入信号经功率放大器PA1放大后，到达某扇区的天馈S1，IN2的输入信号经功率放大器PA2放大后到达S2，同样，IN3的输入信号经功率放大器PA3放大后到达S3。如果PA1损坏，则本扇区无信号输出，本扇区的所有终端移动用户都无法接入系统。这样会损害移动运营商的信誉，同样对设备制造商的信誉有不利的影响。这种常规的无热备份和互助装置的方案，要求功率放大器有很高的可靠性。

目前，有一种功率放大器热备份与互助技术方案，如图4所示。该技术方案采用了3dB电桥耦合器混合矩阵，(以4×4矩阵为例说明)，由前混合矩阵、功率放大器矩阵、后混合矩阵组成。与传统的无热备份和互助技术方案不同的是，功率放大器矩阵中的任何一个功率放大器，都共同放大三个扇区的输入信号。前混合矩阵起分路作用，后混合矩阵起合路作用。其工作原理如下：输入信号IN1经过前混合矩阵，分成四路幅度相等、相位按次序各相差90度的信号，分别到达四个功率放大器的输入端。四路信号经过放大后，再输入到同样结构的后混合矩阵，合成为一路信号，到达扇区1的天馈S1。由于各路信号间存在按次序相位差90度的关系，在理想情况下，IN1的信号经分路、放大、合路后，不会在天馈S2、S3端口输出，也不会在匹配电阻上有信号。同样的道理，IN2的输入信号仅在S2端输出信号，不会在其它端口输出信号；而IN3的输入信号仅在S3端输出信号，不会在其它端口输出信号。

与传统的无热备份与互助功能的方案相比，本方案如果不考虑合分路的损耗，理论上每扇区输出到天馈的信号功率都可提高1.23dB。

采用上述技术方案，当其中任何一个功率放大器失效后，剩下的三个功率放大器仍正常工作，IN1的输入信号经过此系统放大后，可到达扇区1的天馈S1。IN2、IN3输入信号也同样分别到达S2、S3。三个扇区的手机用户都能接入系统，不会出现在常规技术方案中，某扇区所有手机用户无法接入系统的情况，可以实现功率放大器的热备份及互助。

但是，由于在前混合矩阵分路时，要求每路信号都分成四路幅度相等、相位相差各90度的信号，这样混合信号在后混合矩阵合路时，仅是靠信号间幅度和相位差的关系来抵消非本扇区的信号，因此对信号幅度和相位的要求非常高，下述因素都会导致抵消不彻底而发生扇区间串扰现象，造成扇区隔离度下降。这是一个致命的缺陷，所以没有大规模推广开来。影响分合路时的幅度和相位关系而导致抵消不彻底的因素有：

1、设计和工艺加工上的原因，3dB电桥耦合器的耦合度，不是理想的3dB。

2、即使是理想的3dB电桥耦合器，也只有在中心频率点才同时符合相位和耦合度要求，偏离中心频率，幅度和相位差在理论上就不能同时符合要求。

3、前混合矩阵中的A1、A2、A3、A4四段传输线的电长度如果不一致，会导致附加的相位差。

4、连接前混合矩阵与功率放大器间的传输线B1、B2、B3、B4的电长度不一致，会导致附加的相位差。

5、连接后混合矩阵与功率放大器间的传输线C1、C2、C3、C4的电长度不一致，会导致附加的相位差。

6、后混合矩阵中的D1、D2、D3、D4四段传输线的电长度不一致，会导致附加的相位差。

7、功率放大器PA1、PA2、PA3、PA4之间的特性不一致，主要是增益和相位差，这个要求非常高。功率放大器一定要经过严格的挑选配对，一般要求增益差在0.5dB内，相位差在5度以内。

由此可见，该技术方案对工艺及器件一致性要求极高，近乎苛刻，否则扇区间的隔离度很难做到25dB，而这个指标己经满足不了CDMA系统的协议要求，更远远满足不了特殊扇区配置条件下的邻频干扰要求。

除此而外，当系统在商用过程中，需要更换其中一个功率放大器时，则要找到与更换的功率放大器增益和相位完全一致的功率放大器才行，一般要找到同一个厂家的同批次产品，或者，四个功率放大器都要同时更换成经过挑选配对的，器件的互换性差也限制了该方案的推广和采用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种微波单刀双掷开关拓扑结构，该结构的微波单刀双掷开关既具有信号切换功能，又可以实现功率分配与合路功能，并且电路简单、实用。

本发明的另一目的是：利用本发明微波单刀双掷开关实现N个扇区射频功率放大器的热备份与互助功能，并且作到扇区间隔离度高，同时又对功率放大器和传输线等器件一致性要求低，满足实际使用需求。

本发明的又一目的是：提供一种利用本发明微波单刀双掷开关实现N个扇区射频功率放大器的热备份与互助的方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，包括多段传输线及多个开关器件；第四传输线的第一端与第一传输线及第二传输线的第一端互相连接，形成合路端口；且第四传输线的第二端与第六传输线及第七传输线的第一端互相连接，其相交处与地之间连接第三开关器件；

第三传输线的第一端与第一传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第一开关器件；第三传输线的第二端与所述第六传输线的第二端相接，形成第一分路端口；

第五传输线的第一端与第二传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第二开关器件；第五传输线的第二端与所述第七传输线的第二端相接，形成第二分路端口。

所述的微波单刀双掷开关，其中：所述的传输线均为25％波长线；所述第一及第二、第三、第五、第六、第七传输线的特征阻抗均为Z0，而所述第四传输线的特征阻抗为

。

所述的微波单刀双掷开关，其中：所述的开关器件采用PIN二极管。

另一种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，包括多段传输线及多个开关器件；第一传输线的第一端与第二传输线、第四传输线及第四’传输线的第一端互相连接，形成合路端口；第四传输线的第二端与第六传榆线的第一端相接，其相交处与地之间连接第三开关器件；第四’传输线的第二端与第七传输线的第一端相接，其相交处与地之间连接第四开关器件；并且第四传输线的第二端与第四’传输线的第二端之间连接一匹配电阻；

第三传输线的第一端与第一传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第一开关器件；第三传输线的第二端与所述第六传输线的第二端相接，形成第一分路端口；

第五传输线的第一端与第二传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第二开关器件；第五传输线的第二端与所述第七传输线的第二端相接，形成第二分路端口。

上述的微波单刀双掷开关，其中：所述的传输线均为25％波长线；所述第一及第二、第三、第五、第六、第七传输线的特征阻抗均为Z0，而所述第四及第四’传输线的特征阻抗为Z0，所述匹配电阻的阻值为2Z0。

上述的微波单刀双掷开关，其中：所述的开关器件采用PIN二极管。

采用第一种所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助系统，包括N个功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；还包括N对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；每个所述功率放大器的的输入端与一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接，而输出端与一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接；且

前置微波单刀双掷开关的合路端口为微波信号的输入端；后置微波单刀双掷开关的合路端口与天馈系统连接；且

所述N对开关中的前置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输入端；所述N对开关中的后置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输出端；

其中，N为扇区数，是大于0的正整数。

采用第二种所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助系统，包括N个功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；其特征在于：还包括N对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；每个所述功率放大器的的输入端与一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接，而输出端与一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接；且

前置微波单刀双掷开关的合路端口为微波信号的输入端；后置微波单刀双掷开关的合路端口接天馈系统；且

所述N对开关中的前置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输入端；所述N对开关中的后置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输出端；

其中，N为扇区数，是大于0的正整数。

采用第一种所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助装置，包括一功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；还包括一对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；所述一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输入端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输入端相接，其合路端口为微波信号的输入端；而所述一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输出端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输出端相接，其合路端口接天馈系统。

采用第二种所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助装置，包括一功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；还包括一对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；所述一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输入端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输入端相接，其合路端口为微波信号的输入端；而所述一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输出端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输出端相接，其合路端口接天馈系统。

一种射频功率放大器的N+1热备份的方法，用于无线接入及微波系统的N个扇区，每个扇区包括一个相同的主功率放大器及一对与主功率放大器连接具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；还包括一个各扇区共用的备份功率放大器；所述方法包括如下步骤：

A、每个扇区的所述主功率放大器的输入端与一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的一分路端口相接，而输出端与后置微波单刀双掷开关的一分路端口相接；且输入信号从前置微波单刀双掷开关的合路端口接入，而后置微波单刀双掷开关的合路端口与天馈系统连接；且所述N对开关中的前置微波单刀双掷开关的另一分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输入端；所述N对开关中的后置微波单刀双掷开关的另一分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输出端；

B、设置各扇区的所述微波单刀双掷开关，使得每个扇区的功率放大器处于正常工作状态；

C、当某一扇区的所述功率放大器出现故障时，切换该扇区的微波单刀双掷开关，使所述备份功率放大器替换所述故障功率放大器；

其中，N为扇区数，是大于0的正整数。

所述的方法，其中：步骤B所述的设置各扇区的所述微波单刀双掷开关，还包括使所述备份功率放大器处于不工作或待机状态；

所述的方法，其中：步骤B所述的设置各扇区的所述微波单刀双掷开关，还包括使所述备份功率放大器作为某一扇区的互助装置，处于正常工作状态。

本发明的有益效果为：本发明所述的微波单刀双掷开关具有信号切换及功率分配与功率合路功能，拓宽了微波单刀双掷开关的使用环境；由于采用了技术方案所述的非常巧妙和精简的传输线拓扑结构，电路简单、工艺成熟、成本低、易于实现，并使端口的阻抗匹配特性好，端口无反射信号，因此具有很强的实用性，能够应用于放大器热备份与互助系统。

本发明的另一效果是，由于所述的热备份与互助系统中每个扇区都有一个功率放大器，并且系统中还有一个备份的功率放大器，该备份功率放大器为系统所共有不属于任何扇区，因此，当其中一个功率放大器出现故障时，备份的功率放大器在不停电停机的情况下，立即替代出故障的功率放大器工作实现备份功能；而在正常情况下，此备份的功率放大器也可用于任意一个扇区，与本扇区的功率放大器并行工作，实现互助，可使此扇区的输出功率增大3dB。由于N个功率放大器中的任何一个，都只放大一个扇区的信号，所以采用此系统，扇区间的隔离度与功率放大器的一致性无关，正常情况下，扇区间隔离度可做到30dB以上，这是现有技术3dB电桥耦合器矩阵方案做不到的。同时该技术方案对功率放大器等器件的一致性要求不高，功率放大器虽然也挑对配对，但配对要求很宽松，并且不影响扇区隔离度，仅对互助情况下的合成功率增益有影响。具有很高的扇区隔离度以及良好的器件间的互换性，使得本发明的热备份装置具有很高的实际使用价值，更易于在通信设备中推广和采用。

附图说明

图1为终端对地短路的25％波长传输线

图2为常规微波单刀双掷开关拓朴结构

图3为常规的无热备份和互助功能的三扇区功率放大器

图4为3dB电桥耦合器混合矩阵组成的热备份与互助方案

图5为第一种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关拓朴结构

图6为功分器的拓扑结构

图7为第二种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关拓朴结构

图8为本发明第一种功率放大器3+1热备份与互助系统结构示意

图9为本发明第一种功率放大器1+1热备份及互助装置结构示意

图10为本发明第二种功率放大器1+1热备份及互助装置结构示意

图11为本发明第二种功率放大器3+1热备份与互助系统结构示意

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

如图5所示，一种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，由七段传输线及三个开关器件构成；所述七段传输线的长度均为25％波长传输线，互相连接，构成一个“日”字型；并且每段传输线都能与某个开关器件一起构成微波开关；其拓扑结构形式为：第四传输线D的第一端与第一传输线A及第二传输线B的第一端互相连接，形成合路端口；且第四传输线D的第二端与第六传输线F及第七传输线G的第一端互相连接，其相交处与地之间连接第三开关器件SW3；第三传输线C的第一端与第一传输线A的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第一开关器件SW1；第三传输线C的第二端与所述第六传输线F的第二端相接，形成分路端口一；第五传输线E的第一端与第二传输线B的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第二开关器件SW2；第五传输线E的第二端与所述第七传输线G的第二端相接，形成分路端口二。

上述结构中，传输线A、B、C、E、F、G的特征阻抗为Z0，而传输线D的特征阻抗为

当从合路端口输入一微波信号时，上述结构的微波单刀双掷开关的工作状态及实现信号切换及分路功能如下：

状态一：设置SW1断开、SW2闭合、SW3闭合，由于SW2闭合短路到地，合路端口的微波信号不会从传输线B通过，同样，由于SW3闭合，微波信号也不会从传输线D通过，所以微波信号只能从传输线A、C通过；又由于SW3闭合，传输线C上的信号不能从传输线F通过，而只能到达分路端口一。也就是说，合路端口和分路端口一是直通的，而与分路端口二是隔离的，即输入的微波信号可以通过分路端口一输出。

状态二：设置SW1闭合、SW2断开、SW3闭合，分析过程与状态一的分析过程相同，其状态为合路端口与分路端口二是直通的，而与分路端口一是隔离的，即输入的微波信号可以通过分路端口二输出。由状态一和状态二的分析可见，该结构的微波单刀双掷开关可以实现信号切换功能。

状态三：设置SW1闭合、SW2闭合、SW3断开，此时，由于SW1闭合，端口一的微波信号不能从传输线A通过，由于SW2闭合，分路端口二的微波信号也不能从传输线B通过，所以，只能从传输线D通过。微波信号到达传输线F、G相交处之后，分成等功率的两路信号，一路信号经过传输线F，由于SW1是闭合的，信号不能通过传输线C，所以只能到达分路端口一；同样，另一路信号经过传输线G到分路端口二。在这种状态下，整个电路等效如图6，合路路口的输入信号等功率地分成两路信号，分别到达分路端口一和分路端口二，也就是具有功率分配功能。

在如图6所示的状态三时，与现有技术图2所示的“三岔口”A点不同，传输线D的两端位置，虽然都是阻抗不连续，但是由于传输线D满足下列条件：传输线D上端的输入阻抗是Z0，传输线D下端相当于两段特征阻抗为Z0的传输线F、G并联，所以其输入阻抗是Z0/2；传输线的D特征阻抗是 传输线D的长度是25％波长；所以传输线D是一个标准的阻抗变换器，在中心频率点处，无反射信号，而在接近中心频率点处，反射信号也可忽略，从而具有实用价值。

上述结构的微波单刀双掷开关，如果微波信号仅从分路端口一或仅从分路端口二输入，分析过程与上面相同，相当于常规的单刀双掷开关。如果分路端口一和分路端口二输入等幅等相位的微波信号，且SW1、SW2闭合，SW3断开时，这个微波单刀双掷开关就具有功率合路功能。

本发明所述的微波单刀双掷开关的拓朴结构很巧妙，每段传输线A、B、C、D、E、F、G都能与某个开关器件一起构成微波开关，例如第六传输线F与第三开关SW3构成微波开关，传输线D和G也与SW3构成微波开关，由此可见，仅用三个开关器件就实现了七个微波开关的功能，电路结构简单；并且，各传输线可以采用PCB上的微带线或带状线实现，这已是很成熟PCB制造工艺；各开关器件可采用微波PIN二极管，但不限于微波PIN二极管，PIN二极管也是很成熟的器件，易于采购，所以，本发明方案实现起来没有任何困难，而且成本很低。

本发明的第二种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，如图7所示，由八段传输线及四个开关器件及一匹配电阻R构成；所述八段传输线及匹配电阻R互相连接，构成一个近似“目”字型。其结构形式为：第一传输线A的第一端与第二传输线B、第四传输线D1及第四’传输线D2的第一端互相连接，形成合路端口；第四传输线D1的第二端与第六传输线F的第一端相接，其相交处与地之间连接第三开关器件SW3；第四’传输线D2的第二端与第七传输线G的第一端相接，其相交处与地之间连接第四开关器件SW4；并且第四传输线D1的第二端与第四’传输线D2的第二端之间连接一匹配电阻R；第三传输线C的第一端与第一传输线A的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第一开关器件SW1；第三传输线C的第二端与所述第六传输线F的第二端相接，形成分路端口一；第五传输线E的第一端与第二传输线B的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第二开关器件SW2；第五传输线E的第二端与所述第七传输线G的第二端相接，形成分路端口二。

该结构的微波单刀双掷开关，所述八段传输线的长度均为25％波长传输线，传输线A、B、C、E、F、G的特征阻抗为Z0，传输线D1及D2的特征阻抗为Z0，而匹配电阻的阻值等于2Z0。传输线D1、D2和电阻R构成一个标准的威尔金森等功率功分器，匹配电阻可以起到隔离作用，有助于改善端口的匹配特性。

无论是从合路端口输入一微波信号，还是从分路端口一或/和从分路端口二输入微波信号时，上述结构的微波单刀双掷开关用于信号切换、信号分配、合路功能时的工作过程、工作状态的分析以及所具有的功能都与图5所示的第一种结构的微波单刀双掷开关相同，不同之处，在应用过程中SW3和SW4视为一个联动开关，同时闭合或同时断开。

该结构的微波单刀双掷开关与第一种结构的开关一样，同时具有信号切换、功率分配与合路功能；虽然相比之下，第二种结构较第一种结构增加了一段传输线和一个匹配电阻，但同样是每段传输线A、B、C、D1、D2、E、F、G都能与某个开关器件一起构成基本的微波开关，各传输线同样可以采用PCB上的微带线或带状线实现，各开关器件可采用微波PIN二极管，因此，仍具有电路简单，工艺成熟、成本低、实用性强的优点。

采用本发明所述的具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，可以实现一种射频功率放大器的N+1热备份与互助系统，如图8所示。当系统有N个扇区时，每个扇区有一功率放大器及一对本发明所述的具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，系统中还有一个共用的与功率放大器相同的备份功率放大器，因此系统包括有N个功率放大器及N对微波单刀双掷开关；其连接形式为：每个扇区的功率放大器的输入端与一对微波开关中前置微波单刀双掷开关的分路端口一相接，而功率放大器的输出端与后置微波开关的分路端口一相接；微波输入信号从前置微波开关的合路端口接入，而后置微波开关的合路端口连接天馈系统；并且，每个扇区的前置微波单刀双掷开关的分路端口二(共N个)共同连接至所述备份功率放大器的输入端；每个扇区的后置微波单刀双掷开关的分路端口二共同连接至所述备份功率放大器的输出端。系统中N对具有功率分配与合路功能微波单刀双掷开关可以采用如图5所示的第一种结构的微波单刀双掷开关，也可以采用如图7所示的第二种结构形式的微波单刀双掷开关。

整个系统具有三种状态，为了方便说明，以N＝1时的一个扇区为例加以描述，参见图9：

第一种状态是SW1、SW3、SW4、SW6闭合，SW2、SW5断开时，根据前述具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关的原理，输入信号从IN进入到传输线B、E，经功率放大器PA1放大后，再经传输线L、I到天馈S。备份功率放大器PA没有输入信号，当然也没有输出信号。所以功率放大器PA不起作用。

第二种状态SW2、SW3、SW5、SW6闭合，SW1、SW4断开时，输入信号从IN进入到传输线A、C，经备份功率放大器PA放大后，再经传输线J、H到天馈S。此时，功率放大器PA1不起作用。

第三种状态SW1、SW2、SW4、SW5闭合，SW3、SW6断开时，输入信号从IN进入到传输线D，再分配成等幅度、同相位的两路信号，一路信号经传输线F到功率放大器PA放大，到传输线M。另一路信号经传输线G到功率放大器PA1放大，到传输线N。如果功率放大器增益和相位一致性较好，则传输线M、N上的信号幅度和相位一致，这两路信号合路，经传输线K到天馈S。

上述三种状态，如果把第一种状态(PA1工作，PA不起作用)当做功率放大器的正常状态，则第二种状态(PA工作，PA1不起作用)相当于热备份，第三种状态(PA1、PA同时工作)相当于互助，而功率放大器PA是功率放大器PA1的备份。

如图8所示，当N＝3，即3个扇区时，功率放大器PA是功率放大器PA1的备份，也是功率放大器PA2、PA3的备份，系统的三种状态如下：

第一种状态，PA1、PA2、PA3都正常工作，备份功率放大器PA不工作或处于待机状态；

第二种状态，当PA1、PA2、PA3中的任何一个有故障时，切换开关，使有故障的功率放大器不工作，备份功率放大器PA再切换上去，顶替有故障的功率放大器，这就是备份状态。例如：第一扇区的放大器PA1发生故障时，将第一扇区的微波开关切换成SW11、SW13、SW14、SW16闭合，SW12、SW15断开的状态，备份功率放大器PA顶替PA1正常工作。

第三种状态，PA1、PA2、PA3都正常工作，备份功率放大器PA可与其中任何一个功率放大器并行工作，以增加此扇区的输出功率，这就是互助状态。例如：第一扇区和第三扇区保持第一种状态，第二扇区的微波开关设置在SW21、SW22、SW24、SW25闭合，SW23和SW26断开的状态，PA2与PA同时工作。

从上述分析中可以看出，本发明的射频功率放大器的N+1热备份与互助系统，每个扇区都有一个功率放大器，系统中还有一个备份的功率放大器，不属于任何扇区，当其中一个功率放大器出现故障时，备份的功率放大器在不停电停机的情况下，立即替代出现故障的功率放大器工作，实现了热备份。同时在正常情况下，此备份的功率放大器也可用于任意一个扇区，理论上可使此扇区的输出功率增大3dB。更为重要的是，四个功率放大器中的任何一个，都只放大一个扇区的信号，所以采用此系统，扇区间的隔离度与功率放大器的一致性无关，在正常情况下，扇区间隔离度可做到30dB，这个特点是现有技术3dB电桥耦合器混合矩阵方案远不能比拟的。并且，由于功率放大器的一致性不影响扇区隔离度，仅对互助情况下的合成功率增益有影响，因此，功率放大器虽然也挑选配对，但配对要求很宽松，使器件的互换性好，与3dB电桥耦合器矩阵方案相比，这也是很大的优点.

在实施中，还可以采用本发明所述的第二种结构的微波单刀双掷开关来实现射频功率放大器的N+1热备份与互助系统，如图11所示。系统的连接方式、工作状态及工作过程都与前述第一种射频功率放大器的N+1热备份与互助系统相同；由于系统采用的具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关的分路端口之间连接有一匹配电阻，该匹配电阻可以起到隔离作用，如果功率放大器的输入和输出端口不匹配，其反射信号不会传输到另一个功率放大器的输入和输出端，也就是不影响另一个功率放大器的工作状态，有助于改善放大器输入和输出端口的匹配特性，因此，较之前述第一种射频功率放大器的N+1热备份与互助系统，处于互助工作方式的两个功率放大器之间的隔离度更加优异。

上述射频功率放大器的N+1热备份与互助系统，当N＝1时，所述系统视为一种射频功率放大器的1+1热备份与互助装置。如图9、图10所示，在射频功率放大器的1+1热备份与互助装置中，每个扇区都有属于自己单独使用的备份功率放大器PA，正常情况下两个功率放大器PA1和PA同时工作于互助状态，当其中任意一个失效时，通过开关切换，失效的功率放大器退出工作，另一个功率放大器则仍然在工作，只是输出功率下降3dB。此装置可单独应用于任意一个扇区，如果每个扇区(例如：三个扇区)都采用图9或图10的方案，由于各扇区都是独立的，扇区之间是互相绝缘的，因此，则根本不存在扇区隔离度问题。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1、一种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，包括多段传输线及多个开关器件；其特征在于：第四传输线的第一端与第一传输线及第二传输线的第一端互相连接，形成合路端口；且第四传输线的第二端与第六传输线及第七传输线的第一端互相连接，其相交处与地之间连接第三开关器件；

第三传输线的第一端与第一传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第一开关器件；第三传输线的第二端与所述第六传输线的第二端相接，形成第一分路端口；

第五传输线的第一端与第二传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第二开关器件；第五传输线的第二端与所述第七传输线的第二端相接，形成第二分路端口。

2、根据权利要求1所述的微波单刀双掷开关，其特征在于：所述的传输线均为25％波长线；所述第一及第二、第三、第五、第六、第七传输线的特征阻抗均为Z0，而所述第四传输线的特征阻抗为 。

3、根据权利要求1或2所述的微波单刀双掷开关，其特征在于：所述的开关器件采用PIN二极管。

4、二种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，包括多段传输线及多个开关器件；其特征在于：第一传输线的第一端与第二传输线、第四传输线及第四’传输线的第一端互相连接，形成合路端口；第四传输线的第二端与第六传输线的第一端相接，其相交处与地之间连接第三开关器件；第四’传输线的第二端与第七传输线的第一端相接，其相交处与地之间连接第四开关器件；并且第四传输线的第二端与第四’传输线的第二端之间连接一匹配电阻；

第三传输线的第一端与第一传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第一开关器件；第三传输线的第二端与所述第六传输线的第二端相接，形成第一分路端口；

第五传输线的第一端与第二传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第二开关器件；第五传输线的第二端与所述第七传输线的第二端相接，形成第二分路端口。

5、根据权利要求4所述的微波单刀双掷开关，其特征在于：所述的传输线均为25％波长线；所述第一及第二、第三、第五、第六、第七传输线的特征阻抗均为Z0，而所述第四及第四’传输线的特征阻抗为Z0，所述匹配电阻的阻值为2Z0。

6、根据权利要求4或5所述的微波单刀双掷开关，其特征在于：所述的开关器件采用PIN二极管。

7、一种采用权利要求1所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助系统，包括N个功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；其特征在于：还包括N对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；每个所述功率放大器的的输入端与一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接，而输出端与一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接；且

前置微波单刀双掷开关的合路端口为微波信号的输入端；后置微波单刀双掷开关的合路端口与天馈系统连接；且

所述N对开关中的前置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输入端；所述N对开关中的后置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输出端；

其中，N为扇区数，是大于0的正整数。

8、一种采用权利要求4所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助系统，包括N个功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；其特征在于：还包括N对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；每个所述功率放大器的的输入端与一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接，而输出端与一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口相接；且

前置微波单刀双掷开关的合路端口为微波信号的输入端；后置微波单刀双掷开关的合路端口接天馈系统；且

所述N对开关中的前置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输入端；所述N对开关中的后置微波单刀双掷开关的第二分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输出端；

其中，N为扇区数，是大于0的正整数。

9、一种采用权利要求1所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助装置，包括一功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；其特征在于：还包括一对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；所述一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输入端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输入端相接，其合路端口为微波信号的输入端；而所述一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输出端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输出端相接，其合路端口接天馈系统。

10、一种采用权利要求4所述微波单刀双掷开关实现的射频功率放大器的热备份与互助装置，包括一功率放大器及一个与所述功率放大器相同的备份放大器；其特征在于：还包括一对具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；所述一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输入端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输入端相接，其合路端口为微波信号的输入端；而所述一对微波单刀双掷开关中的后置微波单刀双掷开关的第一分路端口与所述功率放大器的的输出端相接，其第二分路端口与所述备份功率放大器的输出端相接，其合路端口接天馈系统。

11、一种射频功率放大器的N+1热备份的方法，用于无线接入及微波系统的N个扇区，每个扇区包括一个相同的主功率放大器及一对与主功率放大器连接具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关；还包括一个各扇区共用的备份功率放大器；所述方法包括如下步骤：

A、将每个扇区的所述主功率放大器的输入端与一对微波单刀双掷开关中的前置微波单刀双掷开关的一分路端口相接，而输出端与后置微波单刀双掷开关的一分路端口相接；且输入信号从前置微波单刀双掷开关的合路端口接入，而后置微波单刀双掷开关的合路端口与天馈系统连接；且所述N对开关中的前置微波单刀双掷开关的另一分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输入端；所述N对开关中的后置微波单刀双掷开关的另一分路端口共同连接至所述备份功率放大器的输出端；

B、设置各扇区的所述微波单刀双掷开关，使得每个扇区的功率放大器处于正常工作状态；

C、当某一扇区的所述功率放大器出现故障时，切换该扇区的微波单刀双掷开关，使所述备份功率放大器替换所述故障功率放大器；

其中，N为扇区数，是大于0的正整数。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于：步骤B所述的设置各扇区的所述微波单刀双掷开关，还包括使所述备份功率放大器处于不工作或待机状态；

13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于：步骤B所述的设置各扇区的所述微波单刀双掷开关，还包括使所述备份功率放大器作为某一扇区的互助装置，处于正常工作状态。

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