CN1179030A - N路功率分配器/合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超高频系统,即能够提高功率分配或合成效率的N路功率分配器/合成器,包括:共同输入输出端口和共同节点;N个信号传输路径,具有第一传输线路、绝缘电阻、和第二传输线路;多个开关,分别连接在上述共同输入输出端口与上述第一传输线路之间,以及在上述共同节点和第二传输线路间的至少一个上。通过自动地阻断连接在N个信号传输路径中产生故障的电路上的信号传输路径,来提高功率传输效率。

Description

N路功率分配器/合成器

本发明涉及一种超高频系统(Micro wave system)，特别是涉及N路功率分配器/合成器(N-Way power divider/Combiner)。

在超高频系统中一般使用把高频功率分配给多个输出端口的功率分配器和把输入多个端口的高频功率进行合成而输出给一个端口的功率合成器。

例如，功率分配器有效地把从一个信号源所输出的超高频信号按一定比率分配给多个需要的部分。功率合成器有效地把从多个信号源或放大器所输出的超高频信号进行合成而提高一个天线或输出的强度。这样的合成器和分配器一般为一个电路。

作为上述这样的功率分配器/合成器的一个例子，存在由维尔金斯(Wilkinson)所提出的“N-Way Wilkinson power divider”(其中，N为大于1的常数)。N-维尔金斯功率分配器的基本结构是包括用于输入至少一个高频信号的输入端口和用于分配输出由上述输入端口所输入的高频信号的至少一个输出端口。虽然这样的结构可以制成各种形态的，但是，一般构成为微带(Micro strip)线，在带状基板上所构成的例子为其代表性的例子。

图1表示现有技术中的N路功率分配器/合成器的构造，其由维尔金斯所提出而被称为“N路均等维尔金斯功率分配器”。

下面简要说明上述图1那样构成的N路均等维尔金斯功率分配器的构成及工作。

当在端口(10)中输入高频信号(RF)时，上述高频信号RF被输入到传输线(transmission line)(20，22，24，26)一侧的节点(N1)。此时，上述传输线(20，22，24，26)各自的长度为“λ/4”(其中，λ代表输入高频信号的波长)，它们各自的另一端节点(N2)连接在一侧共同连接在共同节点(CN)上的绝缘(isolation)电阻(28，30，32，34)的另一侧上。在这样上述绝缘电阻(28，30，32，34)的另一侧和上述传输线(20，22，24和26)的另一侧节点N2上，具有用于输出所分配的信号的端口(36，38，40，42)。

上述端口(10)被作为共同输入输出端口来使用，这些端口(36，38，40，42)作为单独输入输出信号的端口来使用。在多个端口(10，36，38，40，42)上分别连接输出高频信号的发射机、接收机或放大高频信号的高频功率放大器。

这样，当在上述那样的端口(10)中输入高频信号(RF)时，上述所输入的高频信号的RF功率被分成具有相同相位和振幅的信号并且分离给N个端口(在图1的构成中为4个端口(36，38，40，42))而输出。此时，当各个端口(36，38，40，42)的负载(load)被匹配时，在连接在各个传输线(20，22，24，26)的另一侧节点N2上的绝缘电阻(28，30，32，34)上没有功率损耗。这样，仅高频信号被分配给作为输出端子所使用的端口(36，38，40，42)而进行传输。

此时，在上述图1的结构中，具有“λ/4”的长度并连接在端口(10)和多个绝缘电阻(28，30，32，34)之间的传输线(20，22，24，26)与来自端口(36，38，40，42)的反射信号具有相同的相位。当使这样的传输线(20，22，24，26)的特性阻抗为(Z0)时，为下式1那样：

【式1】 $Z_0=\sqrt{n}\×R_0$

在上述式1中，n是不为“0”的自然数，R₀是传输线(20，22，24，26)的线电阻。此时，图1那样的N-维尔金斯功率分配器的输入阻抗(Zin)为Z₀。

当变换按上述那样工作的N路功率分配器的输入和输出时，作为合成(Combine)高频信号的N路功率合成器(N-Way power combiner)而工作。例如，把端口(36，38，40，42)作为输入高频信号的输入端口来使用，当把端口(10)作为输出所合成的高频信号的输出端口而使用时，就能作为N路功率合成器而使用，其工作为下述这样。

当在各个端口(36，38，40，42)中输入由任意高频信号输出装置或多个放大器放大而输出的高频信号(RF2、RF3、RF4、RF5)时，上述高频信号(RF2、RF3、RF4、RF5)通过各个传输线(20，22，24，26)而供给端口(10)，由此，在上述端口(10)中被合成而输出。

此时，若上述所输入的高频信号(RF2、RF3、RF4、RF5)的信号的强度和相位全部相同，则合成高频信号(RF2、RF3、RF4、RF5)的功率而出现在端口(10)上。但是，在上述输入的高频信号(RF2、RF3、RF4、RF5)的信号的强度和相位相互不同的情况下，通过在上述所输入的高频信号的没有功率损耗的情况下进行合成，仅在绝缘电阻(28，30，32，34)上消耗一定量的功率之后，输出给端口(10)。

当涉及图1那样的功率分配器/合成器时，匹配绝缘电阻(28，30，32，34)的电阻值与端口(36，38，40，42)等的输出电阻是重要的。

图2是表示另一个现有技术的辐射形(Radial type)的N路功率分配器/合成器的构造。若参照图2，为这样的结构：共同节点(CN)连接成辐射形，在上述共同节点(CN)和位于圆周中心的共同输出输入端口(10)之间连接绝缘电阻(28，30，32，34)和传输线(20，22，24，26)。这样的辐射形的N路功率分配器/合成器的基本工作与图1所示的维尔金斯功率分配器/合成器的工作相同。

但是，上述图1和图2这样结构的现有N路功率分配器为连接在多个信号传输路径上的电路(未图示，例如，高频功率放大器、发射机、接收机等)，在从作为共同输入输出端子使用的端口(10)连接到作为多个输入输出端子使用的端口(36，38，40，42)之间的路径中的一个端口上的电路发生故障时，在未去除发生问题的某个路径的状态下，当分配或合成后续功率时，产生引起功率损耗而使功率的效率恶化的问题。

第一，通过持续地分配高频信号的功率而给故障电路所连接的路径供给功率，造成“Pout/N”(其中，Pout是连接在共同输入输出端口(10)上的电路的输出功率，N是作为自然数的图1的路径的个数)的功率损耗。例如，尽管因连接在端口(36)上的电路产生故障而不需要高频信号的输入，但通过把来自共同输入输出端口(10)的高频信号功率(Pout)分配为“N”，从而引起“Pout/N”的功率浪费。

第二，在把输入端口(10)的高频信号的功率分配给端口(36，38，40，42)时，由于通过故障的电路所连接的端口的路径，不能进行输出端子的阻抗匹配，则功率分配器的整体的反射特性恶化。

第三，当作为功率合成器工作时，当在连接在端口(36，38，40，42)上的多个电路中的一个中发生故障时，由于不能进行端口(10)上的输出匹配，而产生整体的输出特性恶化的问题。

最后，如图1和图2那样的结构，现有的N路功率分配器/合成器的相邻的两条传输线例如两条相邻的传输线对(20，22或22，24及24，26)非常接近于绝缘电阻(28，30，32，34)的外轮廓的长度，由此，因难于附加其他的元件而不易增加新的功能。

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高功率分配或合成效率的N路功率分配器/合成器的构造。

本发明的另一个目的是提供一种N路功率分配器，把从任意电路所输出的高频信号分配给多个接收电路，其中，通过多个接收电路的工作状态而转换给N-i(其中，i是不为0的常数)路功率分配器。

本发明的另一个目的是提供一种N路功率分配器，自动阻断连接在故障电路上的功率分配路径而减小分配器的特性阻抗和输入输出匹配特性的变化，即使从N路功率分配器转换为N-i路功率分配器，功率分配效率也不会减小。

本发明的另一个目的是提供一种N路功率合成器，能够除去与故障电路的耦合，而从N路功率合成器自动地成为N-i路功率合成器。

为了解决上述问题，本发明包括：共同节点；N个第一传输线路，信号输入输出用端口和绝缘电阻分别连接在其一侧的节点上；N个第二传输线路，长于上述第一传输线路并串联连接；2N个开关，分别连接在上述共同输入输出端口与上述第一传输线路的另一侧之间和上述各个绝缘电阻与上述各个第二传输线路的串联连接节点之间，而成为n对，上述N个开关响应于连接在上述多个输入输出端口上的电路的故障检测而被通断。

附图说明：

图1是表示现有技术中的N(way)路功率分配器/合成器构造的图；

图2是表示另一种现有技术中的辐射形N路功率分配器/合成器的构造图；

图3是表示本发明的N路功率分配器/合成器的构造图；

图4是表示本发明第二实施例的辐射形N路功率分配器/合成器的构造图。

下面参照附图来对本发明所涉及的实施例进行说明。对于各个实施例中共同的部分使用相同的标号表示，而省略重复的说明。在上述说明中，仅对理解本发明的工作所必要的部分进行说明，而省略其他部分的说明。

图3是表示本发明第一实施例的4路功率分配器/合成器的构造。其结构是在上述图1的结构上附加下述部件而构成的。

在信号共同输入或输出的端口(10)与多个传输线(20，22，24，26)之间附加连接4个RF开关(44，46，48，50)。在共同节点(CN)与绝缘电阻(28，30，32，34)一侧之间附加连接RF开关(6X)(其中，X代表0，2，4，6)与第二传输线路(5j)(其中，j代表2，4，6，8)串联连接的传输线开关电路。其中，第二传输线(52，54，56，58)的长度形成为比第一传输线(20，22，24，26)的长度“λ/4”长预定倍数的“nλ/2”的长度，之所以这样是因为容易在绝缘电阻(28，30，32，34)与共同节点(CN)之间追加RF开关。

在上述这样的构成中，在多个RF开关中，以标号44，60、46，62、48，64和50，66为一对而工作。这样的RF开关根据从控制器(100)所输出的控制信号(CTL1，CTL2，CTL3，CTL4)而进行通断，该控制器(100)检索作为连接在第一传输线(20，22，24，26)的另一侧节点上的输入或输出端口而使用的端口(36，38，40，42)上所连接的电路(未图示)是否存在故障。

其中，上述控制器(100)检索连接在图3所示的端口(36，38，40，42)上的电路例如高频功率放大器这样的放大器的工作状态，当发生失败(Fail)时，作为产生相应控制信号的电路，对于本技术领域的技术人员，不需要进行上述说明。但是，如果具体地进行说明，当连接在端口(36)上的电路发生故障时，上述控制器(100)仅激活多个控制信号中的CTL1，打开作为一对工作的RF开关(44和60)。

若简要地说明图3的4路功率分配器/合成器的功率分配(或合成)工作，为下述这样：

当由于图3的4路功率分配器/合成器因某原因例如放大器的故障等原因而不能利用端口(36)和端口(10)之间的信号传输路径时，控制器(100)激活控制信号(CTL1)。此时，连接在从端口(10)所分路的路径(12，14，16，18)与共同节点(CN)之间的多个RF开关中的RF开关(44，60)的一对开关被断开，端口(36)所连接的信号传输路径就从端口(10)上分离。

如上述那样，当端口(10)和(36)之间的信号传输路径分离时，仅剩余了端口(10)和端口(38，40，42)之间的3个信号传输路径，图3的功率分配器/合成器从4路转换为3路功率分配器或合成器。通过这样的RF开关的通断，当从4路转换为3路时，特性阻抗成为下式2，而接近下式3的理论的3路功率分配器/合成器的特性阻抗值。

式2：

式3： $\sqrt{3}\×50\mathrm{\Ω}=87\mathrm{\Ω}$

这样，可以看出，即使4路变为3路，也不会对整体的功率分配器/合成器的工作特性产生影响。即，能够任意变化4路和3路来使用。

而且，上述图3的电路在绝缘电阻(28，30，32，34)和共同节点(CN)之间具有“nλ/2”的长度，由于所附加的第二传输线路(52，54，56，58)，电路整体的输入输出特性不变化。通过上述这样的控制器(100)的动作，可以切除任意的信号传输路径，有效的信号传输路径即第一传输路径例如第一传输线(22，24，26)的绝缘电阻(30，32，34)和输出电阻之间成为“λ/2”或“λ”的常数倍，电路的特性几乎没有变化。

在上述第一实施例中，虽然说明了4路的例子，但是，本领域的技术人员能够通过上述说明而容易地用于N路功率分配器/合成器中。即，在具有用于N个功率分配或合成的信号传输路径的线性放大器(LPA)或大功率放大器(HPA)系统中使用，当在多个路径中的一个以上的放大器产生失败(fail)时，容易切断发生失败的信号传输路径，或适用于需要统一管制的电路。

这样，必须在使用N路功率分配器/合成器的高频电路中使周开关，而广泛用于各个信号传输路径的任意需要管制的电路中。

图4表示本发明的第二实施例的辐射形N路功率分配器/合成器的构造。其结构是用图3所述的原理来改进上述图2那样的辐射形功率分配器/合成器的构造。

即，图4的构成包括：共同端口(10)；在另一侧节点上分别连接信号输入输出用端口(36，38，40，42)和绝缘电阻(28，30，32，34)的第一传输线(20，22，24，26)；位于上述共同端口(10)与上述第一传输线(20，22，24，26)一侧节点之间的RF开关(44，46，48，50)；具有比上述第一传输线(20，22，24，26)的长度长于预定长度并串联连接的第二传输线路(52，54，56，58)；分别连接在上述绝缘电阻(28，30，32，34)与上述第二传输线路(52，54，56，58)的连接节点之间的RF开关(60，62，64，66)。此时，上述全部部件的基本工作与图3的说明相同。这样，在下述说明中仅说明与图3的不同之处。

按图4那样在各个绝缘电阻(28，30，32，34)之间追加具有nλ长度的第二传输线路(52，54，56，58)，在如图3那样切除共同端口(10)和端口(36)的信号传输路径的情况下，可以断开RF开关(44)和与其相对动作的RF开关(60)。由图3所述的控制器(100)的输出来控制该RF开关(44，60)和其他RF开关的断开/接通。即使通过该控制，4路变为3路，也不会对全体的功率分配器/合成器的工作特性产生影响。

图4这样的功率分配器/合成器的特性能够扩大适用于图3这样的N路的工作。N路功率分配器/合成器的理想的特性阻抗Z₀与下式4相同，而N-1路功率分配器/合成器的理想的特性阻抗Z₀与下式5相同，当本发明中的图4结构所形成的N路功率分配器/合成器变为N-1路功率分配器/合成器时，特性阻抗值为下式6那样，由此，就不会对分配器的特性产生很大的影响。

式4： $Z_0=\sqrt{n}\×50\mathrm{\Ω}$

式5： $Z_0=\sqrt{n-1}\×50\mathrm{\Ω}$

式6：

这样，由于通过上述图4这样的辐射形的N路功率分配器/合成器的结构，就能切除故障电路所连接的端口的信号传输路径，因此，就能防止功率损耗。

本发明的优点是：为了断开/接通信号传输路径，在第一传输线上追加具有常数倍长度的第二传输线，确保能够设置RF开关的空间，切除失败的信号传输路径，由此，能够使功率传输效率最大。即，通过自动地切断连接在N个信号传输路径中故障产生的电路上的信号传输路径，由此，而提高功率传输效率。即使在N路功率分配器/合成路径中任意变更N，由于特性阻抗的幅度非常少，也能有效地利用功率分配器/合成器。

Claims (11)

1.一种N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括：

共同输入输出端口和共同节点；

N个信号传输路径，具有一侧连接在上述共同输出输入端口上的预定长度的第一传输线路、连接在上述第一传输线路另一侧上的绝缘电阻、和比上述第一传输线路的预定长度长并且其一侧连接在上述电阻另一侧上的第二传输线路；

多个开关，分别连接在上述共同输入输出端口与上述第一传输线路之间，以及在上述共同节点和上述各个信号传输路径的第二传输线路间的至少一个上。

2.根据权利要求1所述的N路功率分配器/合成器，其特征在于，上述第二传输线路分别为“nλ/2”的长度，其中n为不包括0的常数。

3.根据权利要求1或2所述的N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括控制器，检索连接在上述输入输出端口中的电路的工作状态，根据其检索结果来控制上述开关。

4.一种N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括：

共同输入输出端口和共同节点；

N个信号传输路径，具有：一侧连接在上述共同输出输入端口上的预定长度的第一传输线路、连接在上述第一传输线路另一侧上的绝缘电阻、和比上述第一传输线路的预定长度长并且其一侧连接在上述电阻另一侧上的第二传输线路；

2N个开关，分别连接在上述共同输入输出端口与上述第一传输线路之间，以及连接在上述共同节点和上述各个信号传输路径的第二传输线路之间。

5.根据权利要求4所述的N路功率分配器/合成器，其特征在于，上述第二传输线路分别为“nλ/2”的长度，其中n为不包括0的常数。

6.根据权利要求4或5所述的N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括控制器，检索连接在上述输入输出端口中的电路的工作状态，根据其检索结果来控制上述开关。

7.一种N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括：

共同节点；

N个第一传输线路，信号输入输出用端口和绝缘电阻分别连接在其一侧的节点上；

N个第二传输线路，长于上述第一传输线路并串联连接；

2N个开关，分别连接在上述共同输入输出端口与上述第一传输线路的另一侧之间和上述各个绝缘电阻与上述各个第二传输线路的串联连接节点之间，而成为n对。

8.根据权利要求7所述的N路功率分配器/合成器，其特征在于，上述第二传输线路分别为“nλ/2”的长度，其中n为不包括0的常数。

9.根据权利要求7或8所述的N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括控制器，检索连接在与N个第一传输线连接的输入输出端口的电路的工作状态，根据其检索结果来控制上述开关。

10.一种N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括：

N个信号传输路径，具有各自的输入输出端口，并联连接在共同输出输入端口与共同节点之间；

N个开关对，分别连接在上述信号传输路径的各个第一节点与上述共同输入输出端口之间以及连接在上述信号传输路径的各个第二节点与上述共同端子之间，有选择地接通或断开上述N个开关对而使N路功率分配器/合成器作为N-i路功率分配器/合成器工作。

11.根据权利要求10所述的N路功率分配器/合成器，其特征在于，包括控制器，对应于连接在上述各个信号传输路径的输入输出端口上的电路的检测故障，而有选择地接通或断开上述N个开关对。

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