РАДИОЧАСТОТНЫЙ СУММАТОР МОЩНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК H01P5/12 H01P1/15 

1. Область изобретения
Изобретение относится к цифровой беспроводной системе связи, более конкретно к радиочастотному сумматору мощности, в котором увеличение выходной мощности пропорционально числу усилителей мощности обеспечивается при очень низких потерях.

Настоящая заявка на радиочастотный сумматор мощности основывается на заявке на патент Кореи N 37064/1995, указанный здесь для ссылки
2. Описание предшествующего уровня техники.

Традиционный n-канальный радиочастотный сумматор раскрыт в работе "Planаr electrically symmetric n-way hybrid power dividers/combiners", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. МТТ-28, N 6, June 1980. На фиг. 1А и 1В представлены хорошо известные радиочастотные сумматоры мощности. При этом на фиг. 1A представлена типовая структура n-канального сумматора Уилкинсона, а на фиг. 1B - типовая структура n-канального сумматора радиального типа (здесь n = 1, 2, 3,...,n). Первый сумматор состоит из четвертьволновых отрезков (1/4λ₀) линий передачи и сопротивления R, а второй сумматор состоит из отрезков линий передачи длиной от половины до четверти длины волны (1/2λ₀~1/4λ₀).
Однако если в сумматорах мощности, показанных па фиг. 1A и 1B, осуществляется суммирование сигналов от n источников мощности с одинаковыми амплитудами и фазами, то при отсутствии m из n сигналов выходная мощность снижается на -20 log(-m/n) дБ (здесь m = 0, 1, 2,...,n-1). Иными словами, если m/n = 1/4, 2/4 или 3/4, то имеет место снижение выходной мощности на 2,5; 6,0 или -12 дБ, но сравнению со случаем, когда m/n = 0/4. Например, в известном 4-канальном радиочастотном сумматоре мощности для суммирования четырех (n) сигналов, каждый из которых имеет уровень мощности 1 Вт, характеристики суммирования представлены ниже в таблице 1 (табл. 1-4 см. в конце описания).

Как видно из таблицы 1, суммарная мощность входных сигналов до суммирования равна мощности суммарного сигнала только в случае, когда число m дефектных (отсутствующих) сигналов равно нулю. Однако по мере того как число m дефектных сигналов увеличивается, разность входной и выходной мощности, т. е. потери мощности, увеличиваются.

Для использовании функции радиочастотного сумматора мощности в радиочастотном усилителе высокой мощности путем суммирования мощностей отдельных радиочастотных усилителей с низким уровнем выходной мощности должны выполняться определенные ограничения. А именно , если необходимо суммировать мощность при малых потерях, то число m дефектных сигналов должно быть малым.

На фиг.2 представлена схема радиочастотного усилителя высокой мощности, использующего радиочастотный сумматор мощности, содержащего ряд радиочастотных усилителей. При изготовлении радиочастотного усилителя высокой мощности, обеспечивающего формирование выходных сигналов пропорционально числу упомянутых радиочастотных усилителей, т.е. усилителя, обеспечивающего генерирование выходной мощности A Вт, 2A Вт,., nA Вт при их числе равном 1, 2,., n, где A - выходная мощность одного радиочастотного усилителя низкого уровня мощности, усилитель мощности высокой мощности становится неэффективным, если число используемых усилителей мало.

Сущность изобретения
С учетом вышеизложенного, задачей настоящего изобретения является создание радиочастотного сумматора мощности, характеризуемого весьма малыми потерями даже при увеличении выходной мощности, суммируемой пропорционально числу усилителей мощности
Задачей изобретения является также создание сумматора мощности, пригодного для использования в качестве радиочастотного усилителя с высоким уровнем мощности.

Для достижения указанного результата, в соответствии с настоящим изобретением, радиочастотный сумматор мощности содержит ряд линий передачи, имеющих ряд входных выводов и выходной вывод, соединенный с входными выводами в обшей точке соединения, при этом первый характеристический импеданс линии передачи включен между выходным выводом и общей точкой соединения, второй и третий характеристические импедансы линии передачи включены между общей точкой соединения и входным выводом, а длина линии передачи, соответствующая каждому характеристическому импедансу, равна λ₀/4 (здесь λ₀ - длина волны сигнала центральной частоты); а также ряд радиочастотных переключателей, включенных между входными выводами и третьим характеристическим импедансом линии передачи, для пропускания/запирания радиочастотного сигнала, подаваемого на входные выводы.

Краткое описание чертежей
Указанные выше и другие признаки и преимущества изобретению будут понятны из ниже следящего описания, иллюстрируемого чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1A и 1B - традиционные сумматоры мощности;
Фиг. 2 - схематичное представление радиочастотного усилителя высокого уровня мощности, использующего радиочастотный сумматор мощности;
Фиг. 3 - схема сумматора мощности, выполненного согласно изобретению;
Фиг. 4 - более детальное представление сумматора мощности, выполненного согласно изобретению;
Фиг. 5 - блок-схема испытательной установки для проверки сумматора мощности по фиг. 4;
Фиг. 6A - 6D - результаты испытаний представленного сумматора мощности.

Детальное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения будет описан со ссылками на иллюстрирующие его чертежи.

Как показано на фиг.3, сумматор мощности, соответствующий изобретению, содержит линию передачи с характеристическими импедансами Z1, Z2 и Z3, а также радиочастотные переключатели SW1 - SWn для пропускания и запирания радиочастотного сигнала.

Ниже будет описан принцип работы заявленного устройства.

(1) В случае, когда из радиочастотных переключателей SWI - SWn только один замкнут, а остальные переключатели разомкнуты, сумматор мощности работает следующим образом.

Во-первых, по отношению к точке схемы 1, поскольку соответствующие линии передачи с импедансом Z3+ Z2, соединенные с разомкнутыми переключателями, представляют собой разомкнутые полуволновые линии передачи (на центральной частоте), то они разомкнуты. Таким образом, в точке 1 сигнал испытывает полное отражение, т.е. сигнал не передается, что предотвращает потери.

Во-вторых, в канале, содержащем замкнутый переключатель SWi, сигнал, приходящий в точку (i), передается на выходной вывод (о) по каналу передачи радиочастотного сигнала, т.е. по каналу передачи
i->SWi->Z3->Z2->Z1->o.

(2) В случае, когда из радиочастотных переключателей SW1 - SWn но меньшей мере два переключателя замкнуты, а остальные разомкнуты, радиочастотный сумматор работает следующим образом.

Во-первых, по отношению к точке 1, поскольку соответствующие линии передачи Z3+Z2, соединенные с разомкнутыми переключателями, представляют собой разомкнутые полуволновые линии передачи, (на центральной частоте), то они разомкнуты. Таким образом, в точке 1 сигнал испытывает полное отражение, т. е. сигнал не передается, что препятствует потере сигнала.

Во-вторых, в канале, содержащем замкнутый переключатель, сигнал передается на выходной вывод через соответствующие линии передачи Z3+Z2 и Z1. В этом случае радиочастотные сигналы, приходящие на соответствующие входные выводы, должны подстраиваться для обеспечения равенства их амплитуд и фаз. Если амплитуды и фазы приходящих сигналов одинаковы, то импеданс становится бесконечным, тем самым повышая эффективность развязки между входными выводами. Поскольку суммарная мощность передается только на выходной порт, дополнительных потерь мощности можно избежать. Надлежащие значения характеристического импеданса Z1, Z2 и Z3 должны выбираться с учетом числа n входных сигналов. Однако должно быть удовлетворено условие Z2>Z3>Z1.

На фиг. 4 представлен более детальный пример выполнения сумматора мощности согласно настоящему изобретению, основные параметры которого следующие:
(1) число входных выводов n =4
(2) центральная частота f_o = 880 МГц
(3) диапазон рабочих частот 880 МГц+/-50 МГц
(4) входные сигналы имеют одинаковые амплитуды и фазы.

В табл. 2 представлены значения параметров схемы, выполненной, как указано выше.

Выходная мощность выполненного таким образом сумматора мощности измеряется с использованием испытательной установки, схема которой показана на фиг. 5. Испытательная установка содержит аттенюатор 50 на 10 дБ, 4-канальный разветвитель 52, аттенюатор 54 на 6 дБ, радиочастотный сумматор 56 и анализатор цепи 58. Анализатор 58 использует сигнал, который должен выдаваться на выходной порт OUT, принимает результирующий испытываемый сигнал на входной порт IN и анализирует сигнал. В данном случае в результате анализа должно быть определено качество суммирования сигнала и потери суммарного сигнала. Результаты анализа визуализируются. Аттенюатор 50 на 10 дВ и аттенюатор 54 на 6 дБ используются для предотвращения рассогласования импеданса линии передачи, что позволяет исключить ошибки измерения.

Ниже представлены результаты моделирования и измерения.

С использованием заданной мощности входного сигнала мощность увеличивалась линейно в соответствии с числом входных сигналов, т.е. 0 дБ, 3 дБ (в два раза), 4,8 дБ (в три раза) и 6 дБ (в четыре раза) для 1,2,3 и 4 входных сигналов соответственно. Иными словами, характеристики схемы, соответствующей варианту осуществления настоящего изобретения, моделировались следующим образом (табл. 3).

В соответствии с результатами моделирования, как показано в табл.2, суммарная мощность соответствует усилению на -0,5 дБ (в 0,89 раза), на 3,0 дБ (в 2,0 раза), на 4,6 дБ (в 2,88 раза) и на 5,5 дБ (в 3,55 раз), когда число сигналов равно соответственно 1, 2, 3 и 4 на центральной частоте 880 МГц. Неравномерность по частоте в пределах 0,1 дБ поддерживается в полосе +/- 50 МГц.

На фиг. 6A-6D показаны результаты измерений экспериментальной схемы, образованной микрополосковой линией с использованием тефлоновой подложки и радиочастотного переключателя (например, MMS-12-F-PC, выпускаемого компанией K& L Inc. , США). На фиг. 6A показаны результаты измерений в случае, когда использован один входной сигнал радиочастотного сумматора мощности 56. Фиг. 6B показывает результаты измерений для случая использования двух входных сигналов радиочастотного сумматора мощности 56. Фиг. 6C показывает результаты измерений для случая использования трех входных сигналов радиочастотного сумматора мощности 56. И наконец, фиг. 6D показывает результаты измерений для случая использования четырех входных сигналов радиочастотного сумматора мощности 56. Как видно из фиг. 6A-6D, было измерено усиление соответствующих сигналов, согласно их числу - 1, 2, 3 и 4, на центральной частоте и были получены следующие результаты: на -0,58 дБ (в 0,87 раз), на 2,87 дБ (в 1,93 раза), на 4,45 дБ (в 2,79 раза) и в 5,40 дБ (в 3,47 раза). Неравномерность по частоте порядка 0,1 дБ или менее сохраняется в полосе +/- 50 МГц с центральной частотой 880 МГц.

Основываясь на результатах моделирования, характеристики сумматора мощности, соответствующего изобретению, будут сопоставлены с соответствующими характеристиками для обычного известного сумматора мощности. Исходные условия следующие:
(1) число входных портов n=4:
(2) число дефектных (отсутствующих) входных сигналов равно m;
(3) мощность каждого из входных сигналов равна 1 Вт, всего 4 Вт;
(4) входные сигналы имеют одинаковые амплитуды и фазы.

В приведенной ниже табл.4 показаны характеристики суммарной мощности, полученной с использованием схемы, соответствующей изобретению.

В отличие от табл.1, где приведены результаты для обычного сумматора мощности, табл.3 показывает, что в схеме, соответствующей изобретению, суммарная мощность пропорциональна числу действующих входных сигналов (n-m), т.е. соответствует линейной характеристике.

Сумматор мощности, соответствующий настоящему изобретению, может быть использован для создания делителя мощности и радиочастотного усилителя мощности. В частности, данный сумматор мощности можно использовать как делитель мощности, если заменить выходной вывод сумматора мощности, соответствующего изобретению, на входной вывод делителя мощности, а входные выводы сумматора мощности, соответствующего изобретению, на выходные выводы делителя мощности. В этом случае делитель мощности может обеспечить снижение потерь радиочастотной мощности (как показано в табл.1), обусловленных дефектом линии передачи. Кроме того, можно получить соответствующие радиочастотные усилители мощности, каждый из которых имеет входной вывод, выходной вывод, радиочастотный переключатель между входным и выходным выводами и линию передачи, которая удовлетворяет условию Z2 > Z3 > Z1. При этом потери радиочастотной мощности, обусловленные отказом радиочастотного усилителя, могут быть уменьшены. Соответственно радиочастотный сумматор, выполненный согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, может быть использован для создания делителей мощности и радиочастотных усилителей мощности с различными модификациями и изменениями. При использовании сумматора мощности, выполненного согласно настоящему изобретению, применительно к делителю мощности или радиочастотному усилителю мощности могут быть снижены потери, обусловленные дефектной линией передачи сигнала, что приводит к повышению полной радиочастотной мощности.

Как описано выше, с использованием сумматора мощности, соответствующего настоящему изобретению, выходная мощность, суммируемая пропорционально числу усилителей мощности, возрастает при очень малых потерях.

Исходя из изложенного выше, следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, раскрытым в описании в качестве наилучшего примера осуществления изобретения. Напротив, изобретение не ограничивается конкретными его вариантами, а его объем определяется только формулой изобретения.

Радиочастотный сумматор мощности содержит ряд линий передачи, имеющих ряд входных выводов и выходной вывод, соединенный с входными выводами в общей точке соединения, первый характеристический импеданс линии передачи, включенный между выходным выводом и общей точкой соединения, второй и третий характеристические импедансы линии передачи, включенные между общей точкой соединения и входными выводами, причем длина линии передачи, соответствующей каждому характеристическому импедансу, равна λ₀/4, где λ₀ - длина волны на центральной частоте сигнала, и ряд радиочастотных переключателей, включенных между входными выводами и третьим характеристическим импедансом линии передачи, для пропускания и блокирования радиочастотного сигнала, подаваемого на входные выводы. Технический результат заключается в создании сумматора, пригодного для работы на высоком уровне мощности. 2 с. и 4 з.п.ф-лы,4 табл., 6 ил.

1. Радиочастотный сумматор мощности, содержащий ряд входных выводов и выходной вывод, связанный с упомянутым рядом входных выводов через общую точку соединения, первую линию передачи, имеющую первый характеристический импеданс, подсоединенную между выходным выводом и общей точкой соединения, вторую и третью линии передачи, имеющие соответственно второй и третий характеристические импедансы, подсоединенные между общей точкой соединения и каждым из входных выводов, образуя полуволновые линии передачи, при этом длина каждой первой, второй и третьей линий передачи равна λ_o/4, где λ_o - длина волны на центральной частоте сигнала, отличающийся тем, что между каждым входным выводом и соответствующей третьей линией передачи размещен радиочастотный переключатель для размыкания или замыкания соединения для радиочастотного сигнала, подаваемого на упомянутые входные выводы. 2. Радиочастотный сумматор мощности по п.1, отличающийся тем, что упомянутые первый, второй и третий характеристические импедансы удовлетворяют условию Z₂Z₃Z₁. 3. Радиочастотный сумматор мощности по п.2, отличающийся тем, что первый характеристический импеданс равен 43,3 Ом, второй характеристический импеданс равен 67,7 Ом и третий характеристический импеданс равен 55,4 Ом. 4. Радиочастотный сумматор мощности, содержащий ряд входных выводов и выходной вывод, первую линию передачи, имеющую первый характеристический импеданс, вторую и третью линии передачи, имеющие соответственно второй и третий характеристические импедансы, причем упомянутые вторая и третья линии передачи подсоединены между упомянутой общей точкой соединения и каждым из упомянутых четырех входных выводов, образуя полуволновые линии передачи, при этом длина каждой из линий передачи равна λ_o/4, где λ_o - длина волны на центральной частоте сигнала, отличающийся тем, что содержит четыре входных вывода, упомянутая первая линия передачи подсоединена между выходным выводом и общей точкой соединения четырех входных выводов, упомянутые вторая и третья линии передачи подсоединены между упомянутой общей точкой соединения и каждым из упомянутых четырех входных выводов, а между каждым из четырех входных выводов и соответствующей третьей линией передачи размещен радиочастотный переключатель для размыкания или замыкания соединения для радиочастотного сигнала, подаваемого на упомянутые входные выводы. 5. Радиочастотный сумматор мощности по п.4, отличающийся тем, что первый, второй и третий характеристические импедансы удовлетворяют условию Z₂Z₃Z₁. 6. Радиочастотный сумматор мощности по п.5, отличающийся тем, что первый характеристический импеданс равен 43,3 Ом, второй характеристический импеданс равен 67,7 Ом и третий характеристический импеданс равен 55,4 Ом.