CN1296335A - 功率放大器系统 - Google Patents

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Abstract

一种天线系统包括一个分路器,其接收一个分路器输入信号并产生多个分路器输出信号。多个放大器接收对应一组分路器输出信号并产生对应的放大输出。一个组合器将多个放大输出变换成一个天线信号。一个天线接收并发送所述天线信号。天线信号的功率是与组合器通信的多个放大输出的函数。

Description

功率放大器系统
本发明涉及功率放大器系统。特别是涉及与动态功率放大器系统关联的申请，将用具体的参考来描述。然而，可以理解本发明也可改型为其他类似的申请。
当通过以最优效率在宽角度范围电子扫描一束(1)或更多束波束来发射(或接收)无线电功率时，可能使用无源或有源天线。无源天线包括一主放大器，固定或可变功率分配器与移相器和/或开关一起接在该放大器后。有源天线包括射频放大器。
在常规系统中，定位天线以沿相应方向发射。例如，可以定位三个(3)天线以沿360度角范围的三个(3)对应扇区(即，每个扇区包括120度)广播。对应组的放大器电连接到每个扇区中的天线。在从天线发送信号前，每组放大器增加对应源信号的功率。包含在任一源信号中的最大功率的量是每个对应组中放大器数目的函数。
如上所述，常规系统中的每个放大器仅与特定天线通信，而不能有选择地切换到系统中的另一个天线。因此，不能有选择地在天线中分配由放大器提供的功率。
假定系统中的每个天线仅与一组放大器通信，从任一天线输出的功率是该组中放大器数目的函数。换句话说，对于一个天线而言，不可能与另一组放大器中的一个放大器通信。因此，如果一组放大器有故障，连接到故障放大器的天线的功率输出则相应地减少。
用于补偿故障放大器的一种方法是冗余。冗余涉及将附加放大器加入到与一天线通信的每组放大器中。在该组中，一个(1)或多个放大器有故障时才使用附加放大器。具体地，故障放大器保持在“关断”状态，除非基本放大器的一个(1)或多个有故障。在这个意义上，所述附加放大器作为基本放大器的备用设备。因此，如果一组中基本放大器的一个(1)有故障时，则接通所述附加放大器以抵消该故障。
尽管在一个(1)或多个放大器有故障时冗余可提供备用放大器，但冗余的常规实施也增加了天线系统的总成本和重量。更具体地，冗余通常增加天线系统中放大器的总数目。这种增加的成本和重量是不理想的。从而存在一种对不增加天线系统中放大器总数的冗余的需求。
本发明提供一种能克服上述问题和其他问题的新的改进的设备和方法。
功率放大器系统包括发送装置和多个产生对应放大输出的放大器。第一切换电路有选择地将多个输入信号切换到放大器的对应输入。第二切换电路有选择地切换对应的放大输出以产生一个发送信号，由发送装置接收和发送该发送信号。发送信号的功率是与发送装置通信的多个放大输出的函数。
本发明的一个优点在于以有效的方法设置冗余放大器。
本发明的另一个优点在于用户可以有选择地设置系统中天线的对应功率。
对本领域的普通技术人员而言，根据阅读并理解下面对优选实施例的详细描述，本发明的再一个优点将很明显。
本发明可以采取各种部件和部件安排、以及各种步骤和步骤安排的形式。附图仅用于说明优选实施例的目的，并不构成对本发明的限制。
图1A和1B示出了根据本发明的天线系统；
图2示出了本发明系统的流程图；
图3-6示出了根据本发明可替换实施例的对应天线系统；以及
图7示出了表示具有不同数目放大器的系统中天线的对应功率输出的图表。
参考图1A和1B，天线系统10包括九个(9)载波开关12。最好，载波开关12是单刀双掷射频开关。然而，也可使用适于发送微波或高频信号的其他开关。每个载波开关12包括一个对应的载波输入14和一组两个(2)载波输出16。每个载波输入14接收至少两个(2)输入信道(即，频率)信号。在该优选实施例中，输入信号是射频(“RF”)信号。然而，可以理解也可以是微波或较高频信号。载波开关12将在对应的载波输入14上接收的RF信号切换到两个(2)载波输出16之一(1)。
控制电路18通过将对应的输入14切换到一个(1)对应的载波输出16来电力地控制载波开关12。正如下面将要详述的，载波开关12的设置是确定从系统10中的三个(3)对应天线22发送的对应信号的功率的因素之一。可以理解控制电路18适于由用户设置以有选择地实现从天线22发送的信号的对应功率。在优选实施例中，天线22的每个在360度范围的三个(3)扇区的一个(1)中发送信号(例如，每个天线在覆盖120度的范围内发送信号)。因此，通过控制电路18可有选择地控制在对应扇区中发送的信号的功率。这样，可认为系统10是一个动态放大器系统。
三个(3)有源/无源组合器24与载波开关12通信。每个有源/无源组合器24分别包括六个(6)输入26和一个(1)输出28。用于每个对应载波开关12的两个(2)载波输出16的每个与不同的一个(1)有源/无源组合器24通信。更具体地，如图1A和1B中所示，载波开关121的载波输出161的一个与有源/无源组合器241通信，而载波输出161的另一个与有源/无源组合器242通信。载波开关12和有源/无源组合器24之间的其他连接在图1A和1B中示出。
在图1A和1B中所示的优选实施例中，每个有源/无源组合器24接收来自多个载波开关输出16的六个(6)RF信号。有源/无源组合器24组合所述六个(6)对应的RF信号以形成在对应有源/无源组合器输出28上的对应有源/无源组合器输出信号。根据从控制电路18接收的控制信号，这些信号在有源/无源组合器24中组合。更具体地，控制电路18可以导致，例如，有源/无源组合器24的一个(1)的六个(6)输入信号中的仅三个(3)被组合以形成对应的有源/无源组合器输出信号。
该有源/无源组合器输出28作为三个(3)分路器34的对应输入32的分路器输入信号。除输入32外，每个分路器34还包括对应组的四个(4)输出36。尽管每个分路器最好包括一组四个(4)输出，也可以采用其中分路器包括更多或更少输出的其他实施例。
分路器34将对应的输入信号分(即，分路)成在对应分路器输出36上的所需数目的分路器输出信号。更具体地，分路器输入信号的功率被分配在每个对应分路器34中的四个(4)输出中。并且，确定每个分路器输出36上的对应负载的控制电路18使得分路器输出信号的对应阻抗基本与对应分路器输出36确定的负载相匹配。这样，分路器输出信号的功率以有效的方式被传送。由于这个原因，分路器34被称为“智能”分路器。尽管优选实施例中在四个(4)输出36中分配对应的分路器输入信号，但可以理解也可采用其中分路器输入信号被分成比分路器输出的最大数目更少的其他实施例。
对应分路器34的四个(4)输出36的每个与对应输入开关42的多个输入38之一通信。而且，来自对应分路器34的不止一个(1)分路器输出36与相同的开关42通信。在优选实施例中，系统10包括六个(6)输入开关42。每个输入开关42包括两个(2)输入38和一个(1)输出44。同时，每个输入开关都是发送射频信号的单刀双掷开关。但是，也可以采用其中输入开关包括其他数目的输入和/或发送微波或教高频信号的其他实施例。
控制电路18控制输入开关42以将对应的输入信号发送到对应的放大器46。更具体地，在图1A和1B中所示的实施例中，分路器输出361和363的每个之一与输入开关输入38之一通信。根据天线22所需的输出功率，控制电路18使得用于每个输入开关42的输入38之一通过对应输入开关输出44与对应放大器46通信。例如，控制电路18使得输入381之一通过输入开关输出441与放大器461通信。
控制电路18独立地控制每个放大器46的功率。这样，如果没有信号发送到输入开关421，以及从而没有信号传输到放大器461，则控制电路18使得放大器461的功率被关断。以类似方式控制其他放大器46的功率。因此，如果某些放大器46不必要实现从天线22发送的对应输出信号的所需功率，则那些放大器46最好被关断。
在使用中，放大器消耗DC功率。关断不使用的放大器增加系统10的DC和RF效率。此外，可以有选择地控制放大器功率的事实允许系统10中有效的冗余。更具体地，由于有选择地将放大器切换到系统中的任何天线，所以对于每个天线而言不必要附加放大器。因此，如果一个放大器有故障，也可以使用系统中的任何其他放大器来提高从任何天线输出的信号的功率。
每个放大器46的对应输出48与多个输出开关52通信。每个输出52开关包括多个输出54。在优选实施例中，每个输出开关52是发送射频信号的单刀双掷开关，并包括单个输入和两个(2)输出54。然而，也可以采用其中输出开关发送微波或较高频信号及/或包括其他数目输出的其他实施例。控制电路18使得每个输出开关52从对应的输入发送信号到对应输出54之一(1)。
每个对应输出开关52的每个输出54与多个组合器56的不同的一个通信。在优选实施例中，每个具有四个(4)输入58的三个(3)组合器56与输出开关输出54通信。最好，每个对应输出开关52的每个输出54与不同的一个组合器56通信。例如，输出开关521的输出541之一(1)与组合器561通信，而输出541的另一个与组合器563通信。
组合器56集合在对应组合器输入58上接收的信号并在组合器输出62上产生对应的天线信号。天线信号最好在从天线22发送前通过对应的滤波器64。控制电路18使得组合器56集合在组合器输入58上接收的信号以具有大致与天线22匹配的对应阻抗。因此，信号的功率可最高效地发送到天线22上。
如上所述，天线信号的功率由控制电路18来管理。最好，用户设置控制电路18以实现每个天线信号的所需功率输出。接着，控制电路18激活各种连接和开关并通过各种组合器24和56、分路器34、放大器46、开关42和52以及放大器46引导来自载波输入14的某输入频率信号，从而完成所需的结果。
确定每个组合器输出62上的对应负载的控制电路18使得组合器输出信号的对应阻抗基本与对应天线22确定的负载相匹配。这样，组合器输出信号的功率以有效地方式被传输。由于这个原因，组合器56被称为“智能”组合器。
在图1A和1B中所示的实施例中，九个(9)RF载波被组合、分路并最终馈送到三个(3)天线22中。每个天线22适于发送六个(6)载波的组合信号。由于智能组合器56包括四个(4)输入58，所以每个天线22支持最多四个(4)功率放大器。可以理解载波开关12、组合器24、分路器34以及输入开关42组成天线系统10中的第一切换电路65。此外，输出开关52和组合器56组成天线系统10中的第二切换电路67。
参考图1A、1B以及图2，在步骤A中，切换载波开关12以输出一个对应的载波输入信号到有源/无源组合器24之一中。在步骤B中，相应组合器输入信号通过有源/无源组合器24被组合，形成对应的分路器输入信号。在步骤C中，对应分路器输入信号被接收到分路器34中。在步骤D中，从分路器34产生分路器输出信号。在步骤E中多组分路器输出信号被接收到对应的输入开关42中。在步骤F中，所述信号被切换到对应的输入开关输出。
在步骤G中，信号被接收到放大器46中以及产生对应的放大输出。在步骤H中，放大输出被切换到对应输出开关输出之一。在步骤I中，所述输出开关输出通过至少两个组合器被变换成对应的天线信号。在步骤J中，对应的天线信号被接收到天线22中。在步骤K中，从对应天线22发送对应的天线信号。
图3-6示出了包括与组合器通信的各种数目的放大器和RF开关的本发明的其他实施例，其包括五个(5)输入和单个输出。图3-6中所示的实施例示出了这样的概念，即，可容易地扩展或收缩例如图1A和1B中所示的电路以包括更多/更少放大器。可以理解图3-6中所示的电路是相应于图1A和1B中所示的电路10的对应部分100的局部电路。用于产生到图3-6中所示的电路输入的部件(例如，输入开关42)的对应数目可根据放大器的对应数目变化。此外，也可以理解尽管对在图3-6中未示出的控制电路但可以使用象图1A和1B中所示的控制电路18的这样的电路以管理图3-6中对应电路的操作。
图3示出了包括三个(3)放大器112的电路110。三个(3)输出开关114电连接到对应的放大器112上。每个输出开关114包括单个输入和两个(2)输出116。每个对应输出开关114的每个输出116被连接到三个(3)5路组合器118的不同一个(1)上。每个5路组合器118包括五个(5)输入122和单个输出124。输出124通过滤波器128连接到对应的天线126上。如图1A和1B中所示实施例一样，组合器118组合输入信号以产生具有基本与对应输出124上的负载匹配的阻抗的一个输出信号。
由于三个(3)输出开关114的每个具有两个(2)输出116，所以每个组合器118利用五个(5)对应输入122的两个(2)。因此，如果每个放大器112输出20瓦特，则每个天线126输出的信号在包括零(0)和40瓦特的范围内。然而，可以理解从所有三个(3)天线输出的总功率不超过60瓦特(即，三个(3)放大器每个产生20瓦特)。
图4示出了包括六个(6)放大器152的电路150。六个(6)输出开关154电连接到对应的放大器152上。每个输出开关154包括单个输入和两个(2)输出156。每个对应输出开关154的每个输出156被连接到三个(3)5路组合器158的不同一个(1)上。每个5路组合器158包括五个(5)输入162和单个输出164。
由于六个(6)输出开关154的每个具有两个(2)输出156，所以每个组合器158利用五个(5)对应输入162的四个(4)。因此，如果每个放大器152输出20瓦特，则每个天线166输出的信号在包括零(0)和80瓦特的范围内。然而，可以理解从所有三个(3)天线输出的总功率不超过80瓦特(即，六个(6)放大器每个产生20瓦特)。
图5示出了包括九个(9)放大器202的电路200。六个(6)输出开关204电连接到对应的放大器202上。每个输出开关204包括单个输入和两个(2)输出206。每个对应输出开关204的每个输出206被连接到三个(3)5路组合器208的不同一个(1)上。每个5路组合器208包括五个(5)输入212和单个输出214。三个(3)放大器被直接连接到对应的组合器208上。这样，每个组合器208的五个(5)输入212的每个都被使用。输出214通过滤波器218连接到对应的天线216上。如图1A和1B中所示实施例一样，组合器208组合输入信号以产生具有基本与对应输出214上的负载匹配的阻抗的一个输出信号。
如上所述，对于每个组合器208使用了所有五个(5)对应输入212。因此，如果每个放大器202输出20瓦特，则每个天线216输出的信号在包括零(0)和100瓦特的范围内。然而，可以理解从所有三个(3)天线输出的总功率不超过180瓦特(即，九个(9)放大器每个产生20瓦特)。
图6示出了包括十二个(12)放大器252的电路250。六个(6)输出开关254电连接到对应的放大器252上。每个输出开关254包括单个输入和两个(2)输出256。每个对应输出开关254的每个输出256被连接到三个(3)5路组合器258的不同一个(1)上。每个5路组合器258包括五个(5)输入262和单个输出264。三个(3)放大器被直接连接到对应的组合器258上。这样，每个组合器258的五个(5)输入262的每个都被使用。输出264通过滤波器268连接到对应的天线266上。如图1A和1B中所示实施例一样，组合器258组合输入信号以产生具有基本与对应输出264上的负载匹配的阻抗的一个输出信号。
如上所述，对于每个组合器258使用了所有五个(5)对应输入262。因此，如果每个放大器252输出20瓦特，则每个天线266输出的信号在包括零(0)和100瓦特的范围内。然而，可以理解从所有三个(3)天线输出的总功率不超过240瓦特(即，十二个(12)放大器每个产生20瓦特)。
图7示出了当如图3-6中使用一个5路智能组合器时三个(3)扇区(α、β、γ)中对应天线的可能功率输出。每个放大器的最大输出功率假定为20瓦特。如图7中所示，包括三个(3)放大器的系统具有两个可能的输出配置。更具体地，在第一配置中，三个(3)天线的每个与一个(1)放大器通信，从而输出20瓦特。在第二配置中，在α扇区中发送的天线例如与两个(2)放大器通信，从而输出40瓦特；在β扇区中发送的天线例如与一个(1)放大器通信，从而输出20瓦特；在γ扇区中发送的天线例如与零个(0)放大器通信，从而输出零(0)瓦特。图7中示出了包括其他数目放大器的系统的各种配置。
已参考优选实施例对本发明进行了描述。很显然，根据阅读和理解上述详细描述其他人可以进行改型和修改。本发明构造为包括所有这样的改型和修改，其在所附权利要求书的范围或其等效范围内。

Claims (20)

1．一种功率放大器系统，包括：
一个发送装置；
用于产生对应放大输出的多个放大器；
第一切换电路，用于有选择地将多个输入信号切换到放大器的对应输入；以及
第二切换电路，用于有选择地切换对应放大输出并产生一个发送信号，该发送信号通过发送装置接收并发送，发送信号的功率是与发送装置通信的多个放大输出的函数。
2．如权利要求1所述的功率放大器系统：
其中第一切换电路包括一个分路器，用于接收一个分路器输入信号并产生多个分路器输出信号；
其中第二切换电路包括一个组合器，用于将多个放大的输出转换成发送信号；以及
其中发送装置包括一个天线，用于接收并发送发送信号，发送信号的功率是与组合器通信的多个放大输出的函数。
3．如权利要求2所述的功率放大器：
其中第一切换电路包括一个输入开关，用于有选择地将分路器输出信号切换到放大器；以及
其中第二切换电路包括一个输出开关，用于有选择地将放大输出切换到组合器。
4．权利要求2所述的功率放大器系统，其中每个分路器输出信号适于与不同的一个放大器通信。
5．如权利要求4所述的功率放大器系统，其中分路器产生四个分路器输出信号。
6．如权利要求5所述的功率放大器系统，其中组合器适于将至少四个放大输出转换成发送信号。
7．如权利要求2所述的功率放大器系统，其中：
第一切换电路还包括：
至少一个附加分路器，用于接收附加分路器输入信号并产生相应的多个附加分路器输出信号；
多个输入开关，每个具有多个输入和一个输出，每个对应输入开关的每个输入适于接收来自不同的一个分路器的分路器输出信号之一，每个输出适于将分路器输出信号之一发送到不同的一个放大器；
第二切换电路还包括：
至少一个附加组合器，用于将对应的多个放大输出变换成对应附加发送信号；
多个输出开关，每个具有一个输入和多个输出，对应输入适于接收不同的一个放大输出，以及输出适于将对应的放大输出发送到不同的一个组合器；以及
发送装置包括至少一个附加天线，用于接收并发送对应的附加发送信号，附加发送信号的对应功率是与对应组合器通信的多个放大输出的函数。
8．如权利要求7所述的功率放大器系统，其中第一切换电路还包括：
多个有源/无源组合器，用于组合多个对应的组合器输入信号以形成对应的分路器输入信号；以及
多个载波开关，每个具有用于接收载波输入信号的一个输入和多个输出，每个对应载波开关的每个输出与不同的一个有源/无源组合器通信。
9．如权利要求1所述的功率放大器系统，还包括：
控制电路，用于动态并有选择地控制放大器、第一切换电路、以及第二切换电路。
10．如权利要求9所述的功率放大器系统，其中控制电路调节对应放大器的功率。
11．一种发送信号的方法，包括：
有选择地将多个输入信号切换到多个放大器的对应输入；
有选择地切换放大器的对应放大输出并产生发送信号，该发送信号通过发送装置接收并发送，发送信号的功率是与发送装置通信的多个放大输出的函数；以及
从发送装置发送发送信号。
12．如权利要求11所述发送信号的方法：
其中切换输入信号的步骤包括：
将分路器输入信号接收到分路器中；
从分路器产生多个分路器输出信号；
将对应一组分路器输出信号接收到放大器中；以及
其中切换放大输出信号的步骤包括：
通过组合器将放大输出转换成发送信号，发送信号的功率是与组合器通信的多个放大输出的函数。
13．如权利要求12所述发送信号的方法，其中将分路器输出信号接收到放大器中的步骤包括：
将每个对应分路器输出信号接收到不同的一个放大器中。
14．如权利要求13所述发送信号的方法，其中转换步骤包括：
将至少四个放大输出转换成发送信号。
15．如权利要求12所述发送信号的方法，其中：
切换输入信号的步骤还包括：
将至少一个附加分路器输入信号接收到至少一个对应的附加分路器中；
从至少一个附加分路器产生对应的多个附加分路器输出信号；
切换放大输出的步骤包括：
通过组合器和至少一个附加组合器将多个放大输出转换成对应的发送信号；
将发送信号接收到发送装置和至少一个附加发送装置中，发送信号的对应功率是与对应组合器通信的多个放大输出的函数。
16．如权利要求15所述发送信号的方法，还包括：
使分路器输出通过多个输入开关，每个输入开关具有与对应的一个放大器通信的输出；
切换输入开关以输出对应的一个分路器输出信号；
通过多个输出开关将放大输出输出到组合器，每个输出开关具有与对应一个放大器通信的一个输入和适于与不同的一个组合器通信的多个输出；以及
切换输出开关以将对应的放大输出输出到一个组合器中。
17．如权利要求15所述发送信号的方法，还包括：
通过多个有源/无源组合器组合多个对应的组合器输入信号以形成对应的分路器输入信号；以及
切换多个射频载波开关以将组合器输入信号输出到对应的有源/无源组合器中。
18．一种天线系统，包括：
一个分路器，用于接收分路器输入信号并产生多个分路器输出信号；
多个放大器，用于接收对应一组分路器输出信号并产生对应的放大输出；
一个组合器，用于将多个放大输出变换成一个天线信号；以及
一个用于接收并发送天线信号的天线，天线信号的功率是与组合器通信的多个放大输出的函数。
19．如权利要求18所述的天线系统，还包括：
至少一个附加分路器，用于接收对应附加分路器输入信号并产生对应的多个附加分路器输出信号；
多个输入开关，每个具有多个输入和一个输出，输入适于与分路器输出信号通信，每个输出适于将分路器输出信号之一发送到不同的一个放大器上；
至少一个附加组合器，用于将对应的多个放大输出转换成对应的附加天线信号；以及
多个输出开关，每个具有一个输入和多个输出，对应的输入适于接收不同的一个放大输出，以及该输出适于将对应的放大输出发送到不同的一个组合器中。
20．如权利要求19所述的天线系统，还包括：
一个控制电路，电连接到分路器、放大器、组合器、输入开关、以及输出开关上，用于控制与组合器通信的放大输出的数目。
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