CN1235407A - 包含混合器－分离器的设备 - Google Patents

Abstract

发明了一个有改进的信号分离器和改进的信号混合器配合的一个多载波线性射频射频功率放大器。该放大器包含许多楔形放大器模块。当这样的放大器径向地安放并且彼此相邻安装时,模块的向内侧的边缘共同地限定了一个中心或轴向定位的开口。一个改进的信号分离器,信号混合器,或复式分离器/混合器最好安放在轴向定位的开口中。信号分离器或信号混合器是包含多个径向安装在一片介质基底上的许多等长度的导体排列。

Description

包含混合器-分离器的设备

本发明一般地涉及电气通信。尤其是本发明涉及一个与多载波射频放大器联接使用的混合器-分离器。

图1描述现有技术的一个典型无线电通信系统的一部分简要图解。这样的系统为许多位于一个地区的无线电终端(如无线电终端101-1到103-1)提供无线通信服务。

一个典型无线电通信系统的核心是无线电交换中心(“WSC”)120，有时称为移动电话交换中心(“MSC”)，或一个移动电话交换局(“MTSO”)。通常WSC120接到许多分布在系统为之服务的整个地区的基站(如基站103-1到103-5)。此外，WSC120有时还接到市话局或长途局(如市话局130，市话局138，和长途局140)。WSC120首先负责建立和保持无线电终端间的呼叫和一个无线电终端与一个通过局域网和/或长途网接到系统上的无线电终端之间的呼叫。

一个无线电通信系统服务的地区被分成许多空间上分割的面积，称为“小区”。如图1所描述，每个小区用一个六角形图示，可是，每个小区常常都根据地形拓朴而有不规则的形状。通常，每个小区有一个基站，基站有用于与小区内无线电终端通信的无线电与天线，还有该基站用于与WSC120通信的传输设备。

例如，当无线电终端101-1要和无线电终端101-2通信，无线电终端101-1把需要的信息传送到基站103-1，基站103-1把信息转发到WSC120。WSC120收到这个信息后，并且了解到这些信息是要送到无线电终端101-2的，WSC120就把这些信息送还基站103-1，基站103-1通过无线电设备把这些信息转发到无线电终端101-2。

图2描述在基站103-1中进行的从WSC120接收信息的方法。这些信息从WSC120传送到基站103-1是用多路复用信号202。这样一个信号含有许多复杂的组分信号，在这里讨论的上下文中，这些组分信号是RF(射频)载波信号。根据所用的特定的复用方案(如时分复用，频分复用，码分复用，等)，每一个这样的组分射频载波信号与其他的这样信号都有区别。

当信号202被基站103-1接收时，就在多路分解器204中多路分解成它的组分射频载波信号202_i,i=1,N，每个无线电设备206_i可以用一个消息信号去调制这一个组分信号202_i，这是根据一个特定的调制方案(如时分多址，码分多址，等)完成的。每个无线电设备产生的一个已调制的射频载波信号208_i送到相加器210，这些已调制的载波信号在相加器210中被相加，产生多载波射频信号212。

由于无线电设备产生的已调制的射频载波信号208_i是极低功率的信号，多载波射频信号212须要送到放大器214，通常是一个前馈多载波线性射频功率放大器(“FMLRF功率放大器”)以增加信号强度，用于从基站传送到各无线电终端，例如101-2。一个FMLRF功率放大器常常可以放大所有用在一个给定小区内的射频载波信号。这种放大器的设计和操作是业界人士所熟悉的。例如，见美国专利N05,304,945及其中的参考文献。

在FMLRF功率放大器214中，多载波射频信号212被分离器216分成J个功率相等的信号212_i并送到J个同样的放大器模块218_i。诸信号212_i中的每一个在放大器模块中被放大到诸放大器模块的设定的输出功率。从放大器模块来的J个被放大的信号220_i在混合器222中被混合，形成已调制的多载波射频信号224。信号224被送到天线226，以发射到例如无线电终端101-2。

不断增长的无线通信量要求这样的无线电系统增加呼叫容量。增加呼叫容量的一个方法是在一个给定的地区内增加小区的数量。这样增加导致较小的小区，当然也就要更多的基站。增加小区的数量导致降低要求传送的信号功率(因为复盖面积较小)，这样就可以用一个较小的，功率较低的FMLRF功率放大器。

过去为通常的大功率FMLRF功率放大器设计的分离器和混合器，为了很好地配合这样较大的FMLRF功率放大器，腔体具有指定的体积和形状。随着这种放大器降低体积的要求，需要对功率分离器和功率混合器作更加紧凑的设计。

本发明公开一个与一个改进的信号分离器和一个改进的信号混合器配合的多载波线性射频功率放大器。放大器包含许多楔形放大模块。当这些模块径向地安放并且彼此紧密靠近时，模块向内侧的边缘共同地限定了一个中心的或轴向定位的开口。根据本发明的一个说明性的实施例，一个改进的信号分离器，信号混合器，或复式分离器/混合器方便地安放在轴向定位的开口中。

在有些实施例中，一个信号分离器或混合器是一个导体排列，它包含径向地排列在适当的介质表面上的许多长度相等的导体。该导体排列方便地安装在一个适当构造的外壳中。外壳安放在轴向定位的开口中。

在排列中的每个导体的长度是λ/4。其中λ是多载波信号的中心频率。每个导体的阻抗由Z=Z₀n^1/2给出，这里Z₀是要求分离器或混合器的外部线路阻抗，通常是50欧姆，n是导体群中的导体数目。

在有些实施例中，每个导体方便地“悬挂”在外壳中，从而降低信号损耗。为了做成这样，在有些实施例中，是把这些导体放在外壳内部形成的圆柱形腔体中。每个导体就“悬挂”在腔内的介质表面上。

图1描述一个现有技术的无线通信系统的示意图解；

图2描述在一个现有技术的基站中，处理从一个无线交换中心接收到的复用信号的方法的简单图解；

图3描述根据本发明的一个说明性实施例的一个多载波线性放大器的一部分顶视图；

图4描述图3的多载波线性放大器的一部分剖面视图，其中移去一些放大模块以显示一个分离器外壳和一个混合器外壳；

图5描述根据本发明的一个说明性实施例的一个导体排列；

图6描述根据本发明的一个说明性实施例的在一个混合器或分离器的板中形成的槽；

图7描述包含由图6中的刻槽的板紧密靠近而形成的圆柱腔体的一个混合器或分离器外壳；和

图8描述根据本发明的一个说明性实施例的一个复式分离器/混合器。

图3是一个说明性的多载波线性放大器314的一部分的顶视图，显示出八个楔形，同样形状，同样尺寸，径向排列的放大器模块318₁-318₈。放大器模块318_i的大小和形状正好适合如图3所示那样以相邻关系安放，由每个模块的向外边缘320共同地限定了八角形周界322。此外，按照图3所示那样排列时，由每个模块的向内边缘324共同地决定了八角形区域326。

描述图3的顶视图的图4(为了清楚地说明，移去了一些放大器模块)显然出分离器外壳416和混合器外壳422有利地沿轴向在放大器模块318_i形成的区域326内对准。把一个信号分离器，或信号混合器，或这两种器件一起以这样的方式安放是业已周知的。当这些器件如此对准时，对于n个未放大的“分离”信号中的每一个信号从分离器传到n个放大器模块中的每一个模块，以及对于n个已放大的信号中的每一个信号从每个放大器模块传到混合器，它们的信号路径长度实际上是相等的。这种等长信号路径是为了保持分离器产生的n个未放大的信号中的每一个信号和送到混合器的n个已放大的信号中的每一个信号之间的相位关系。

分离器外壳416包含一个用于从一个相加器(见图2)接收一个低功率多载波射频信号的轴向对准端口430。混合器外壳422同样包含一个轴向对准的端口432，一个已放大的多载波射频信号被送到这里。分离器外壳416还包含八个输出端口(未画出)以发送八个分离信号中的每一个信号到八个放大器模块318_i中的每一个模块。同样，混合器外壳422还包含八个用于从八个放大器模块接收八个已放大信号中的每一个信号的输入端口(未画出)。每个放大器模块318_i有分别用于接收和发送未放大和已放大信号的一个输入端口和一个输出端口(未画出)。在分离器外壳416的八个输出端口和在放大器模块318_i上的八个输入端口用一致的方式安装，使得八个分离信号中的每一个信号的路径长度是相等的。混合器外壳422上的八个输入端口和诸放大器模块上的八个输出端口也安装成产生同样的效果。

图5描述根据本发明的一个说明性实施例的一个导体排列500，适宜于作为一个分离器或混合器。这样的一个导体排列放在分离器和混合器外壳416,422内。八个导体504₁-504₈具有同样的长度，按相等的角度以径向方式安装在绝缘表面502上。在有些实施例中，绝缘表面502是一种介质材料。每个导体504_i的长度l是λ/4，这里λ是被处理的多载波信号的中心频率。

分离器或混合器的外部线路阻抗通常是50欧姆。为了阻抗匹配，每个导体504_i的阻抗必须是：

                  Z=Z₀n^1/2            (1)这里Z₀是50欧姆，n是导体的数目。例如，如果有八个导体，那么每个导体504_i的阻抗是50(8)^1/2=141欧姆。熟悉技术的专家都知道如何适宜地选择线的长度，介质以及其他等等来设计具有指定阻抗(例如141欧姆)的导体。

每个导体504_i最好“悬挂”在外壳416,422中以利于减少信号损耗。在有些实施例中，这是通过分别在说明性的分离器或混合器外壳620的上半部和下半部618(图6a)和621(图6b)中刻出半圆形的槽619和622而实现的。图7描述外壳620的上半部和下半部618,621相连接。导体排列500安装在连接部分的中间。在圆柱腔724中，导体504i就像制造印刷电路板所使用的那样，“悬挂”在一个介质表面上。注意，对于这样的一个悬挂导体，计算介质常数时要考虑介质材料被空气包围的实际情况。

在图3-5所描述的说明性实施例中，假设多载波线性射频功率放大器314由八个放大器模块组成。应当意识到在其他应用的其他实施例中，这样的放大器可能由不同数量的放大器模块组成。如果用不同数量的放大器模块，分离器和混合器外壳416,422(图4)通常随着模块的数量不同而具有不同的形状。并且，当然，导体的数量也将直接随着放大器模块的数量而改变。例如，假如用六个放大器模块，区域326(图3)通常有一个六角形的周界，使分离器和混合器外壳有利地成六角形。而且，假如用六个放大器模块，那么就应该用六个导体。

在上面叙述的说明性实施例中，分离器和混合器是安装在分开的外壳中的。在其他的实施例中，分离器和混合器最好安装在单个外壳中。这样一个复式分离器/混合器要求两组分开的导体排列，一组的功能作为分离器，另一组的功能作混合器。图8描述根据本发明的一个复式分离器/混合器800的剖面，包含三片式外壳820和第一与第二组导体排列802,804。一组的功能作为分离器，另一组的功能作为混合器。应当理解，这样的功能性质是根据导体排列与放大器的其余部分集成在一起的方法决定的。也就是说，如果一个信号送到一组导体排列的中心，该组的功能就是一个分离器，如果信号送到一组导体排列的每个导体的末端，该组的功能就是一个混合器。每组导体排列包含数量为n个导体(未画出)。正如上面所述，导体排列中导体的特定数量n是取决于放大器模块的数量。

三片式外壳820包含底板822，中板826和顶板832。底板822的上表面822b最好含有n个半圆形的槽824，每个槽用于第一组导体排列802的一个导体802_i。中板826的下表面826a最好含有n个半圆形槽828。在底板822的槽824和在中板826下表面826a的槽828彼此互补地安装使下板和中板相邻安置时，槽824和828对准以形成第一组n个圆柱腔840用于容纳第一组导体排列802的同样数量的n个导体。

中板826的上表面826b含有n个半圆形槽830。并且，顶板832的下表面832a含有n个半圆形槽834。顶板832和中板826相邻安装时，槽830和834形成第二组n个圆柱腔842用于容纳第二组导体排列804的n个导体。中板最好提供第一组导体排列802和第二组导体排列804之间的屏蔽。

在图8中描述的复式分离器/混合器800中，底板上的槽824和中板下表面中的槽828相对于中板上表面中的槽830和顶板的槽832最好有位移。这样位移的结果使这些板可以薄些，以及使第一套端口/界面(在用作分离器的导体排列与放大器模块之间必需的电连接)和第二套端口/界面(在放大器模块与用作混合器的导体排列之间必需的电连接)自然地错开。

未放大的多载波射频信号由轴向对准的端口836经过顶板832送到一组导体排列。因为在导体排列的中心和每个放大器模块的输入端之间的信号路径长度是相等的，多载波射频信号沿着n个导体分成n个功率相同的信号。从诸放大器模块返回的已放大信号送到另一组导体排列中的各导体并在该导体排列的中心混合为单一的已放大的多载波射频信号。已放大的多载波射频信号离开混合器，通过一个穿过底板822的轴向对准的端口(未画出)。应该明白分离器/混合器的结构是可以倒过来的，在这样结构中，未放大的输入从底板上的端口接收而已放大的输出穿过顶板送到端口836。

虽然本发明的一些专门的实施例已经在这里显示和说明，应当理解为这些实施例仅仅是许多可能可以用本发明的原理设计的特殊装置的说明。一般的业界人士根据这些原理可以设计出许多和各种其他的装置而不超出本发明的领域和精神实质。因此，这里意思是这些其他装置是在下列权利要求和它们的等效条款之内。

Claims (19)

1．一种用于放大第一多载波射频信号的装置，包含：

第一多个径向排列的导体可操作地将第一多载波RF信号分为多个等功率的多载波RF信号，其中一个多载波RF信号沿着每个径向排列的导体进行传送；

多个放大器模块，其中每个放大器模块与第一多个径向排列的导体中的一个电气相连，并可操作地放大沿着与这个放大器电气相连接的径向排列的导体传送的一个多载波射频信号；和

第二多个径向排列的导体，其中该第二多个径向排列的导体的每一个与诸放大模块中的一个电气相连，另外其中第二多个径向排列的导体的每一个可操作地接收来自与之电气相连接的一个被放大的多载波RF信号，和再有，第二多个径向排列的导体可操作地共同地混合被放大的多载波RF信号为一个第二多载波RF信号。

2．权利要求1的装置，其中第一多个径向排列的导体安放在第一个介质表面上，第二多个径向排列的导体安放在第二个介质表面上。

3．权利要求1的装置，其中第一多载波射频信号被传送到第一多个径向排列的导体的中心轴，其中，在该中心轴上，所有第一多个径向排列的导体在物理上是彼此接触的。

4．权利要求3的装置，其中被放大的多载波射频信号在第二多个径向排列的、物理上彼此接触的导体的中心轴上混合成第二个多载波射频信号。

5．权利要求3的装置，其中从第一多个径向排列的诸导体的中心轴到第二多个径向排列的诸导体的中心轴沿任何一个径向排列的导体的信号路径长度等于沿任何其他的径向排列的导体的信号路径长度。

6．权利要求1的装置，其中每个导体的长度是λ/4，这里λ是第一个多载波射频信号的中心频率。

7．权利要求1的装置，其中第一多个径向排列的导体放置在第一个外壳中。

8．权利要求7的装置，其中第一多个径向排列的导体的每一个导体悬挂在第一个外壳中。

9．权利要求8的装置，其中第一多个径向排列的导体的每一个导体安装在第一个外壳里的第一组圆柱形腔体中的一个腔体中。

10．权利要求7的装置，其中第二多个径向排列的导体放置在第一个外壳中。

11．权利要求10的装置，其中第二多个径向排列的导体悬挂在第一个外壳中。

12．权利要求11的装置，其中第二多个径向排列的导体的每一个导体安装在第一个外壳里的第二组圆柱形腔体中的一个腔体中。

13．权利要求11的装置，其中外壳包含一片下板，一片中板和一片顶板，中板把第一多个径向排列的导体相对第二多个径向排列的导体屏蔽起来。

14．一种无线电通信系统的基站，包括：

一个把复用射频信号多路分解成第一多个射频信号的多路分解器；

多个无线电设备，每个这样的无线电设备可操作地接收第一多个射频信号中的一个信号，并将一个消息信号调制于这个信号上；

一个把经来自多个无线电设备调制的各射频信号混合为第一多载波RF信号的相加装置；

一个放大多载波射频信号用的多载波线性射频功率放大器，该放大器包括：

可操作地将第一多载波射频信号分成多个功率相等的诸多载波射频信号的第一多个径向排列的导体，其中一个多载波射频信号沿着每个径向排列的导体传送；

多个放大器模块，其中每个放大器模块电气连接到第一多个径向排列的导体中的一个，和可操作地放大沿着和它电连接的一个径向排列的导体传送的一个多载波射频信号；和

第二多个径向排列的导体，其中每个第二多个径向排列的导体电连接到一个放大器模块，而且每个第二多个径向排列的导体可操作地从和它电连接的放大器模块接收一个已放大多载波射频信号，以及每个第二多个径向排列的导体可操作地共同混合已放大多载波射频信号为第二多载波射频信号；和

一个发送第二个多载波射频信号的天线。

15．一种将一个信号分离成多个功率相等的信号的装置，包含

第一多个长度、径向排列的导体，其中这些导体在第一中心轴上彼此物理上相连接；

安放在第一中心轴上的第一输入端口。该端口可操作地将一个信号传送到第一多个径向排列的导体；和

多个输出端口，其中每个输出端口可操作地接收在第一多个径向排列的各个导体中的一个导体上传送的一个等功率信号。

16．权利要求15的装置，且其中有第一多个径向排列的导体被安装在一片介质基底上的。

17．权利要求16的装置，且其中有每个径向排列的导体被通过封闭在一个圆柱形腔体中进行悬挂。

18．权利要求15的装置，还包括：

第二多个长度相等、径向排列的导体，其中这些导体在第二中心轴上彼此物理上相连接；

多个输入端口，其中多个输入端口的每个输入端口可操作地接收多个信号中的一个信号，并将该信号传送到第二多个径向排列的导体的一个导体上；和

安放在第二中心轴上的输出端口和可操作地接收在第二中心轴上从多个信号形成的一个混合信号。

19．一种将多个信号混合成一个混合信号的装置，包括：

多个长度相等、径向排列的导体，这些导体在中心轴上彼此物理上相连接；

多个输入端口，其中每个输入端口可操作地接收多个这些信号中的一个信号，并把它传送到径向排列的各个导体中的一个导体上；和

安放在中心轴上的输出端口、可操作地接收在中心轴上由多个信号形成的混合信号。

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