CN103081354B - 对混合网络中的信号进行划分和组合的装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明提供了一种包括混合网络(301，302)的装置(300)，所述混合网络包括至少一个混合耦合器以及多个环形器(303，304，305，306)，每一个环形器均具有与所述混合网络(301，302)相连的第一端口，并且还具有第二端口和第三端口。每一个环形器设置用于经由所述第一端口将经由所述第二端口接收到的信号引导至所述混合网络(301，302)，以及将从所述混合网络(301，302)接收到的信号引导至所述第三端口。

Description

对混合网络中的信号进行划分和组合的装置
技术领域
本发明涉及混合网络的领域，更具体地涉及用在多端口放大器(MPA)机载通信卫星中的混合网络。
背景技术
在信号处理应用中，混合耦合器网络通常用作功率分配器(divider)和组合器(combiner)。例如，在如图1所示的常规多端口放大器100中，输入混合网络(INET)101将输入信号A、B、C、D 104分离成低功率信号，每一个低功率信号均包含所有四个输入信号104的分量。所述低功率信号被多个放大器102放大，并且被输出混合网络(ONET)103重新组合成已放大的输出信号A’、B’、C’、D’105。MPA是有吸引力的，因为它们能够提供比单个高功率放大器更高的输出功率并且具有固有的路由属性。
如图2所示，所述INET 101包括四个混合耦合器110、111、112、113。输入信号A所采用的路径用粗体显示。所述输入信号A被第一混合耦合器110分离成两个半功率信号(A0-3dB；A90-3dB)，其中一个与所述输入信号同相位而另一个相移90°。这些半功率信号被再次分离，以便提供所述四个低功率输出信号(A0-6dB；A90-6dB；A90-6dB；A180-6dB)，每一个均具有所述初始输入信号A的1/4功率。这些1/4功率信号可以被放大并且然后在所述ONET 103中重新组合，所述ONET 103是所述INET 101的镜像。
所述INET 101和ONET 103的精确的相位对准是重要的，因为不正确的对准例如可以导致所述已放大的输出信号A’包含所述输入信号B、C和D的分量。因此，必须精确地形成并且小心地对准所述INET 101和ONET 103，这是昂贵的和费时的。用在通信卫星上的MPA中的典型混合网络可能花费大约25万英镑。此外，所述混合网络是庞大的并且可能对所述MPA的整体重量有显著的贡献。
发明内容
本发明旨在解决已知结构中的固有缺点。
根据本发明，提供了一种包括混合网络的装置，所述混合网络包括：至少一个混合耦合器；多个第一输入-输出IO端口和多个第二IO端口；多个第一环形器，每一个第一环形器均设置用于引导信号至所述第一IO端口之一，以便被引导通过所述混合网络至所述第二IO端口的至少一个；以及多个第二环形器，每一个第二环形器均设置用于引导信号至所述第二IO端口之一，以便被引导通过所述混合网络至所述第一IO端口的至少一个，其中所述第一和第二环形器的每一个环形器均具有与所述混合网络相连的第一端口，并且还具有第二端口和第三端口，其中每一个环形器均设置为使得经由所述第一端口将经由所述第二端口接收到的信号输出至所述混合网络，以及经由所述第三端口将经由所述第一端口从所述混合网络接收到的信号输出。
所述混合网络可以设置为使得每一个第一IO端口与其他的第一IO端口隔离，并且每一个第二IO端口与其他的第二IO端口隔离。
所述多个第一环形器可以设置用于接收多个第一输入信号，并且所述多个第二环形器可以设置用于接收多个第二输入信号，使得引导所述第一和第二输入信号沿相反的方向通过所述混合网络。
所述混合网络可以设置用于经由多个第一IO端口之一接收至少一个第一输入信号，将所述至少一个第一输入信号分离成第一多个已降低功率信号，并且经由所述多个第二IO端口将所述第一多个已降低功率信号输出。
所述混合网络可以设置用于经由所述多个第一IO端口接收第一多个已放大的信号，将所述已放大信号组合成至少一个第一已放大输出信号，并且经由所述多个第二IO端口将所述第一已放大输出信号输出。
所述混合网络还可以设置用于经由所述多个第二IO端口之一接收至少一个第二输入信号，将所述至少一个第二输入信号分离成第二多个已降低功率信号，并且经由所述多个第一IO端口将所述第二多个已降低功率信号输出。
所述混合网络还可以设置用于经由所述多个第二IO端口接收第二多个已放大信号，将所述已放大信号组合成至少一个第二已放大输出信号，并且经由所述多个第一IO端口将所述至少一个第二已放大输出信号输出。
根据本发明，还提供了一种多端口放大器，所述多端口放大器包括：输入网络INET；输出网络ONET；和多个放大器(811，821)，设置用于对从所述INET接收到的信号进行放大并且将所述已放大信号发送至所述ONET。
根据本发明，还提供了一种多端口放大器，所述多端口放大器包括：第一输入-输出网络；第二输入-输出网络；第一多个放大器，设置用于对从所述第一输入-输出网络接收到的信号进行放大并且将所述已放大信号发送至所述第二输入-输出网络；以及第二多个放大器，设置用于对从所述第二输入-输出网络接收到的信号进行放大并且将所述已放大信号发送至所述第一输入-输出网络。
根据本发明，还提供了一种多端口放大器，所述多端口放大器包括：输入-输出网络，所述网络包括根据权利要求1所述的装置；以及多个放大器，设置用于对从所述输入-输出网络接收到的信号进行放大并且将所述已放大信号返回至所述输入-输出网络。
附图说明
下面将参考附图，以示例的形式描述本发明的实施例，其中：
图1阐释了常规的多端口放大器(MPA)；
图2阐释了图1的MPA的输入混合网络；
图3阐释了根据本发明示例的MPA；
图4阐释了用在本发明示例中的环形器；
图5a和5b示意性地阐释了根据本发明一个示例所述，在混合耦合器内的E场强度；
图6a和6b阐释了根据本发明一个示例所述用作输入网络的混合网络；
图7a和7b阐释了根据本发明一个示例所述用作输出网络的混合网络；
图8阐释了根据本发明一个示例所述用于放大8个输入信号的MPA；
图9详细阐释了图8所示MPA的第一混合网络的操作；
图10阐释了根据本发明一个示例所述用于放大8个输入信号的MPA；
图11阐释了根据本发明一个示例所述用于放大6个输入信号的MPA；
图12阐释了根据本发明一个示例所述用于放大6个输入信号的MPA；以及
图13阐释了根据本发明一个示例所述用于放大4个输入信号的MPA。
具体实施方式
现在参考图3，阐释了根据本发明一个示例所述的MPA 300。所述MPA 300可被称作双MPA，因为它可以处理与两个常规的4-端口MPA相同数量的输入信号(即两组四个输入)，但是只需要单个INET 301和ONET 302，而不是两个INET和两个ONET。
所述双MPA 300包括四个环形器303、304、305、306，设置用于引导两组输入信号310、320沿相反的方向通过所述INET 301和ONET 302。在图3中，所述第一组输入信号310通过所述双MPA 300所采用的路径用虚线箭头表示，而所述第二组输入信号320所采用的路径用实线箭头表示。双箭头表示共享耦合，所述第一组信号310和第二组信号320可以沿相反的方向通过所述共享耦合。
更具体地，所述第一组输入信号310被第一多个环形器303引导至所述INET 301，然后被分离成多个低功率信号。这些低功率信号然后被第二多个环形器304引导至第一放大器模块311，进行放大，并且被第三多个环形器305引导至所述ONET 302。所述信号被所述ONET 302重新组合成第一组输出信号312并且经由第四多个环形器306输出。
与此相反，所述第二组输入信号320被输入至第二多个环形器304，引导至所述INET 301，并且被分离成多个低功率信号。因此，所述第二组输入信号320沿与所述第一组输入信号310相反的方向通过所述INET 301。这些低功率信号被所述第一多个环形器303引导至第二放大器模块321，进行放大，并且被第四多个环形器306引导至所述ONET 302。所述信号被所述ONET 302重新组合成第二组输出信号322并且经由所述第三多个环形器305输出。
这样，所述第一组输入信号310和第二组输入信号320通过INET、放大器模块和ONET，类似于常规的MPA。然而，在本示例中，使用环形器以便将沿不同方向通过所述INET和ONET的信号分开，允许共享单个INET 301和ONET 302。因此，降低了所述MPA的成本、复杂性和质量。
图4阐释了可被用在本发明的示例中的3-端口环形器400。本领域普通技术人员应当熟悉环形器的工作原理，因此这里不再提供详细描述。简单地说，环形器是一种非互易器件，意味着两个端口之间的功率损耗依赖于所述两个端口之间的信号传播方向。环形器设置为使得当信号被输入至任何给定的端口时，所述信号只沿顺时针或者逆时针方向(依赖于所述环形器的方向)传播至相邻端口。所述环形器的任何其他端口都与所述输入信号隔离。
例如，在如图4所示的3-端口环形器400的情况下，将输入至第一端口401的信号S1引导至第二端口402，在本示例中所述第二端口是沿顺时针方向的相邻端口。然而，不会将输入至所述第二端口402的信号S2传播至所述第一端口401，而是将其引导至第三端口403。所述第一端口401与输入至所述第二端口402的信号隔离。当被用在本发明示例中时，所述第一端口401可被设置作为输入端口(即设置用于接收将要输入至混合网络的信号)，所述第三端口403可被设置作为输出端口(即设置用于将从所述混合网络接收到的信号输出)，而所述第二端口可被连接至所述混合网络本身。
尽管在图4中阐释了3-端口环形器400，但是本发明不限于3-端口环形器。例如，可以在本发明的一些实施例中使用4-端口环形器或者N-端口环形器。因为只需要三个端口(即输入端口401、输出端口403以及用于连接所述混合网络的端口402)，在所述第一和第三端口之间的多余端口可以被匹配的负载终止(terminate)。这种结构对隔离所述第一端口401与所述第三端口403是有益的。
图5a和5b示意性地阐释了当信号沿相反方向通过所述混合时在混合耦合器内的E场强度。在图5a和5b中，深色区域表示高强度，而浅色区域表示低强度。图5a和5b所示的所述混合耦合器500包括四个端口501、502、503、504，所述四个端口由通道连接，电磁波可以通过所述通道传播。在图5a所阐释的示例中，高功率信号被输入至第一端口501，并且被分离成两个半功率信号，经由第二端口502和第三端口503输出所述半功率信号。所述第二端口502被称作“直通”端口，因为它输出与所述输入信号是同相位的半功率信号。所述第三端口503被称作“正交”端口，因为它输出相对于所述输入信号成90度相移的半功率信号。所述第四端口504被称做“隔离”端口，因为它与所述第一端口501是隔离的。
因为混合耦合器是无源的互易器件，信号可被输入至四个端口501、502、503、504中的任意一个，在这种情况下可以相应地切换所述直通、正交和隔离端口的位置。例如，图5b阐释了与图5a相同的混合耦合器，但是高功率信号输入至所述第二端口502。在这个示例中，如图5b所示，所述第一端口501用作“直通”端口，所述第四端口504变成了所述“正交”端口，而所述第三端口503变成了“隔离”端口。
此外，不同的信号可以被无干扰地同时输入至所有四个端口501、502、503、504。利用这个属性的优势，并且将混合网络与环形器组合，如图3所示的双MPA通过使两组信号沿相反方向通过所述网络，因此允许单个混合网络同时处理两组输入信号。
下面将参考图6a至7b描述与所述环形器结合的所述混合网络的功能。具体地，图6a和6b阐释了用作INET(即分离输入信号)的混合网络601，以及图7a和7b阐释了用作ONET(即将若干低功率信号组合成高功率输出信号)的混合网络601。
如图6a和6b所示，包括四个混合耦合器的混合网络601在一侧耦合至第一多个环形器602，以及在另一侧耦合至第二多个环形器603。这种结构提供了多个第一输入604和第二输出605，以及多个第二输入606和第二输出607。在本示例中，输入至所述第一输入604之一的信号从左至右通过所述混合网络601并且被分离成多个低功率信号，经由所述第一输出605输出。输入至所述第二输入606之一的信号从右至左通过所述混合网络601并且分离成多个低功率信号，经由所述第二输出607输出。在图6a中，输入至所述第一输入604之一的信号所采用的路径用粗体表示。在图6b中，输入至所述第二输入606之一的信号所采用的路径用粗体表示。
现在参考图7a和7b，图6a和6b所示的装置被阐释用作ONET。通过所述装置的各种信号所采用的路径用粗体表示。在图7a中，多个低功率信号被提供至所述第一输入604，由所述混合网络601组合成单个高功率输出信号并且经由所述第一输出605输出。在图7b中，多个低功率信号被提供至所述第二输入606，由所述混合网络601组合成单个高功率输出信号并且经由所述第一输出607输出。
由于图6a至7b所示的混合网络601以及环形器602、603的结构是完全相同的，单个混合网络可以用作INET或者ONET，用于任意一组输入信号。例如，所述相同的装置可以同时用作针对经由所述第一输入604接收到的低功率信号的INET，以及针对经由所述第二输入606接收到的已放大信号的ONET，反之亦然。替代地，所述相同的装置可以同时用作针对两组输入604、606的INET，或者用作针对两组输入604、606的ONET。
现在参考图8，阐释了根据本发明一个示例所述的双MPA 800。所述双MPA 800以与图3所示双MPA 300类似的方式工作。具体地，所述双MPA包括多个第一输入810和第一输出812，以及多个第二输入820和第二输出822。提供多个环形器803、804、805、806，用于引导输入信号以正确的顺序通过所述混合网络801、802以及放大器811、821。
在本示例中，所述第一混合网络801用作针对所述第一输入810和第二输入820的INET，以及所述第二混合网络802用作针对所述第一输出812和第二输出822的ONET。例如，在图8中，信号A通过所述双MPA 800所采用的路径用粗体表示。所述信号A被输入至所述第一输入810之一，所述环形器803、804、805、806设置用于将所述信号A引导至所述第一混合网络801，通过所述第一多个放大器811，以及通过所述第二混合网络802，以便被作为已放大信号A’输出。
输入至所述第二输入820之一的信号(例如信号W、X、Y、Z)设置用于沿与来自所述第一输入810的信号相反的方向通过所述第一混合网络，被第二多个放大器821放大，以及再次沿与来自所述第一输入810的信号相反的方向通过所述第二混合网络802。
图9详细地阐释了图8所示MPA的第一混合网络的工作。图9中类似信号之间的相位关系用下标表示，例如A90表示与所述输入信号A类似的信号，但是相对于所述原始输入信号A相移90°。在图9中，为了清晰起见，相对振幅没有被示出，但是与在常规混合网络中的相同(即信号被它所通过的每一个混合耦合器减小3dB)。
所述混合网络801包括四个混合耦合器901、902、903、904，设置成与常规混合网络类似的方式。信号A、B、C、D接收自所述多个第一输入(参见图8)，并且从左至右通过所述混合网络801。因此，在所述混合网络801右手边上的每一个端口(如图9所示)均输出包含每一个输入信号的分量(例如A0+B90+C90+D180)的低功率信号。
信号W、X、Y、Z接收自所述多个第二输入(参见图8)，并且从右至左(即与信号A、B、C、D相反的方向)通过所述混合网络801。由于所述混合网络是对称的和互易的，来自所述多个第二输入的信号(即信号W、X、Y、Z)以与来自所述多个第一输入信号(即信号A、B、C、D)类似的方式被分离并且降低功率。
在混合耦合器输入端口与被隔离端口之间的端口-端口隔离典型地是大约50dB。因此，如果沿一个方向通过所述混合耦合器的信号比沿另一个方向通过的信号更强约50dB，那么所述较低功率信号将会受到干扰。如上所述，在本示例中，所述第一混合网络801用作针对两组输入信号的INET，而所述第二混合网络802用作针对两组信号的ONET。因此，可以避免这种干扰，因为所述第一混合网络801只承载所述低功率信号，而所述第二混合网络802只承载所述高功率信号。
然而，在本发明的其他示例中，单个混合网络可以既用作INET又用作ONET。这些结构例如可以适用于端口-端口隔离大于所述低功率信号与所述高功率信号之间的功率差的情况。下面将参考图10描述本发明的一个示例，其中每一个混合网络均既用作INET又用作ONET。
现在参考图10，阐释了根据本发明的一个示例所述的双MPA。如同图8所示的双MPA，图10所示的双MPA 1000包括第一混合网络1001和第二混合网络1002、第一多个放大器1011和第二多个放大器1021、以及四个环形器1003、1004、1005、1006。然而，不同于图8所示的双MPA，本示例所述的双MPA 1000设置为使得每一个混合网络1001、1002均既用作INET又用作ONET。具体地，提供给多个第一输入1010的信号(即信号A、B、C、D)被所述第一混合网络1001分离，被所述第一多个放大器1011放大，被所述第二混合网络1002重新组合，并且经由所述多个第一输出1012输出(参见已放大信号A’、B’、C’、D’)。因此，所述第一混合网络1001用作针对多个第一输入的INET，同时所述第二混合网络1002用作ONET。
与此相反，提供给多个第二输入1020的信号(即信号W、X、Y、Z)被所述第二混合网络1002分离，被所述第二多个放大器1021放大，被所述第一混合网络1001重新组合，并且经由所述多个第二输出1022输出(参见已放大信号W’、X’、Y’、Z’)。因此，所述第二混合网络1002用作针对多个第二输入的INET，同时所述混合网络1001用作ONET。信号W所采用的路径用粗体显示。
典型地，在操作期间，ONET将比INET经历更大的热量，因为通过ONET的信号与通过INET的信号相比被放大。在图10所示的双MPA中，每一个混合网络1001、1002均用作一组信号的ONET。因此，两个混合网络1001、1002将经历类似的加热速率并且会以类似的速率膨胀。两个混合网络1001、1002的均匀膨胀将有助于维持网络之间精确的相位对准，这对避免所述输出信号中的干扰是有必要的。
现在参考图11，阐释了根据本发明一个示例所述的双MPA。所述双MPA 1100的某些方面类似于图8所示双MPA的那些方面，因此这里不再提供详细描述。然而，图11所示的双MPA 1100区别在于所述多个第二输入1120和第二输出1122只包括两个输入和两个输出。因此，所述第二多个环形器1104和第三多个环形器1105每一个均只包括两个环形器，而不是四个(参见图8)。为了图11清晰起见，通过所述双MPA 1100的输入信号Y所采用的路径用粗体表示。
如图11所示，在本发明的一些实施例中，可能向所述双MPA内的混合网络的每一边提供不同数量的输入信号。所述双MPA 1100有效地将4-端口MPA(参见第一输入1110和第二输出1112)与2-端口MPA(参见第二输入1120和第二输出1122)组合。然而，本领域普通技术人员应当理解依赖于需要被放大的输入信号的数量，其他结构也是可能的。
现在参考图12，阐释了根据本发明一个示例所述的双MPA。所述双MPA 1200具有多个第一输入1210和第一输出1212，设置用于接收四个输入信号并且输出四个已放大信号。所述双MPA 1200还具有多个第二输入1220和第二输出1222，设置用于接收两个输入信号并且输出两个已放大信号。因此，如同图11所示的双MPA，图12所示的双MPA 1200有效地将4-端口MPA与2-端口MPA组合。
然而，所述双MPA 1200区别在于所述第一多个环形器1203和第四多个环形器1206被分别放置在所述第一混合网络1201和第二混合网络1202的混合耦合器之间。因此，输入至所述第二输入1220的信号Y、Z设置用于只通过所述第一混合网络1201的单个混合耦合器，因而只被分离成两个低功率信号。因此所述第二多个放大器1221中放大器的数量可以从4(参见图11)减小到2。为了图12清晰起见，通过所述双MPA 1200的输入信号Y所采用的路径用粗体表示。
现在参考图13，阐释了根据本发明一个示例所述的MPA。如同常规的4-端口MPA(参见图1)，图13所示的MPA 1300设置用于接收四个输入信号(A、B、C、D)，将每一个信号均分离成通过多个放大器1304的多个低功率信号，以及将所述已放大信号重新组合成四个已放大输出信号(A’、B’、C’、D’)。然而，在本示例中，只使用了单个混合网络1301，所述混合网络1301既用作INET又用作ONET。多个环形器1302、1303用于将沿一个方向通过所述混合网络的信号与沿相反方向通过的信号分开。与常规的4-端口MPA相比，本实施例的优势在于只需要一个混合网络，而不是两个。
虽然上面已经描述了本发明的某些实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，可能有许多变化和修改，同时仍然落在由权利要求所限定的本发明范围内。
例如，尽管已经关于多端口放大器描述了本发明，但是在其他实施例中，替代的信号处理装置可以取代所述放大器。

Claims (7)

1.一种对混合网络中的信号进行划分和组合的装置，包括：
混合网络(601；801；1001；1301)，包括至少一个混合耦合器、多个第一输入-输出IO端口和多个第二IO端口；
多个第一环形器(602；803；1003；1302)，每一个第一环形器均设置用于接收第一信号并引导所述第一信号至所述第一IO端口之一，以便被引导通过所述混合网络至所述第二IO端口中的至少一个；以及
多个第二环形器(603；804；1004；1303)，每一个第二环形器均设置用于接收第二信号并引导所述第二信号至所述第二IO端口之一，以便被引导沿与第一信号相反的方向通过所述混合网络至所述第一IO端口中的至少一个，
其中所述第一和第二环形器中的每一个环形器均具有与所述混合网络相连的第一端口(402)，并且还具有第二端口(401)和第三端口(403)，
其中每一个环形器均设置为使得经由所述第一端口将经由所述第二端口接收到的信号输出至所述混合网络，以及经由所述第三端口将经由所述第一端口从所述混合网络接收到的信号输出，以及
其中所述混合网络设置用于经由所述多个第一IO端口之一接收至少一个第一输入信号，将所述至少一个第一输入信号分离成第一多个已降低功率信号，并且经由所述多个第二IO端口将所述第一多个已降低功率信号输出，或者
其中所述混合网络设置用于经由所述多个第一IO端口接收第一多个已放大的信号，将所述已放大信号组合成至少一个第一已放大输出信号，并且经由所述多个第二IO端口将所述第一已放大输出信号输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述混合网络设置为使得每一个第一IO端口与其他的第一IO端口隔离，并且每一个第二IO端口与其他的第二IO端口隔离。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述混合网络还设置用于经由所述多个第二IO端口之一接收至少一个第二输入信号，将所述至少一个第二输入信号分离成第二多个已降低功率信号，并且经由所述多个第一IO端口将所述第二多个已降低功率信号输出。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述混合网络还设置用于经由所述多个第二IO端口接收第二多个已放大信号，将所述已放大信号组合成至少一个第二已放大输出信号，并且经由所述多个第一IO端口将所述至少一个第二已放大输出信号输出。
5.一种多端口放大器(800)，包括：
输入网络INET(801、803、804)，包括根据权利要求1至4中任一项所述的装置；
输出网络ONET(802，805，806)，包括根据权利要求1至4中任一项所述的装置；以及
多个放大器(811，821)，设置用于对从所述INET接收到的信号进行放大并且将所述已放大信号发送至所述ONET。
6.一种多端口放大器(1000)，包括：
第一输入-输出网络(1001，1003，1004)，包括根据权利要求1至4中任一项所述的装置；
第二输入-输出网络(1002，1005，1006)，包括根据权利要求1至4中任一项所述的装置；
第一多个放大器(1011)，设置用于对从所述第一输入-输出网络接收到的信号进行放大并且将已放大信号发送至所述第二输入-输出网络；以及
第二多个放大器(1021)，设置用于对从所述第二输入-输出网络接收到的信号进行放大并且将所述已放大信号发送至所述第一输入-输出网络。
7.一种多端口放大器(1300)，包括：
输入-输出网络(1302，1302，1303)，包括根据权利要求1至4中任一项所述的装置；以及
多个放大器(1304)，设置用于对从所述输入-输出网络接收到的信号进行放大并且将已放大信号返回至所述输入-输出网络。
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