НАСТРОЙКА МНОГОПОРТОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/60 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к настройке многопортовых усилителей (MPA) и, в частности, к регулировке соотношений фазы и усиления между отдельными усилителями в MPA для оптимизации развязки сигнала между портами вывода MPA.

Уровень техники

MPA является известным устройством усилителя мощности, используемым для спутниковой связи, которое может работать на сверхвысоких частотах, выше 1 ГГц, и охватывающих L- и S-диапазоны с частотами в диапазоне 1,5-2,6 ГГц и Ku- и Ka-диапазоны с частотами в диапазоне 12-20 ГГц и т.д.

MPA включает в себя N параллельных подобных блоков усилителя (ЛБВ или твердотельных), причем каждый имеет мощность P, чтобы каждый входной сигнал усиливался каждым усилителем для увеличения мощности каждого выходного сигнала на множитель N, до P×N. Обеспечиваются N портов ввода и N портов вывода, чтобы входной сигнал на одном порту ввода направлялся в соответствующий порт вывода. Порты ввода соединены с блоками усилителя входной схемой малой мощности (INET), которая может быть реализована в любой удобной технологии линии передачи, которая соответствует условиям, например микрополосковая линия передачи, полосковая линия передачи, коаксиальный кабель или волновод, и порты вывода соединены с блоками усилителя выходной схемой большой мощности (ONET), которая реализуется, как правило, с использованием технологии линии передачи с малыми потерями. ONET математически является аналогом INET, так что сигнал, представленный в n-й вход, направляется в n-й выход. Каждая схема содержит массив волноводных устройств разделения сигналов. Для разделения сигналов обычно используется матрица Батлера или схема, содержащая только гибридные устройства, так как они обладают удобными свойствами фазового сдвига и усиления. Одним видом гибридной схемы является четырехпортовое устройство разделения сигналов, содержащее два входа и два выхода, с выборочными фазовыми сдвигами 90°. Эта разность фаз может быть использована для улучшения характеристик развязки цепей. Однако могут использоваться другие гибридные схемы и другие устройства разделения сигналов, которые могут иметь разность фаз 180°.

Изобретение обсуждается, в частности, в отношении MPA с 8 портами, которые могут использоваться в широкополосных многолучевых полезных нагрузках, работающих в Ku- или Ka-диапазоне. Они, как правило, используют конструкции с одним облучателем для каждого луча (SFB), которые обеспечивают смежный набор до 100 узких лучей или больше по определенной области. MPA является привлекательным решением для SFB, так как они потенциально предлагают высокую степень гибкости в распределении мощности лучу. MPA успешно применялись в L- и S-диапазоне, но существуют очень трудные проблемы в Ku- и Ka-диапазоне, в которых длины волны на порядок величины короче. Исследуются влияния рассогласований на характеристики MPA, и устанавливается признак, посредством которого эти влияния могут быть уменьшены, в частности, в отношении развязки.

В течение некоторого времени MPA рассматривались для использования в полезных нагрузках спутника связи с многолучевой антенной, см. S. Egami и M. Kawai: "An Adaptive Multiple Beam System Concept" IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. SAC5, № 4, май 1987 г. Их успешно применяют в L-диапазоне, см. M. Mallison, R. Gill, S. Curtis, R. Manku, "Advanced Payload for Multibeam Satellites that Support High Data Rate Broadband Global Area Network", AIAA, 23^rd International Communications Satellite Systems Conference, Rome, сентябрь 2005 г., и в S-диапазоне, см. M. Tanaka и K. Yamamoto, "New Technologies in N-STAR Communications Payload", AIAA, 17^th International Communications Satellite Systems Conference, Yokohama, февраль 1998 г., прежде всего для мобильных услуг.

Последнее время, с увеличением интереса к предоставлению широкополосных услуг, например доступа в Интернет и HDTV через спутники связи с многолучевой антенной, внимание было сосредоточено на обеспечении MPA в Ku- и Ka-диапазонах, см. R. Kuramasu, T. Araki, M. Shimada, E. Tomita, T. Satoh, T. Kuroda, M. Yajima, T. Maeda, T. Mukai, "The Wideband Internetworking Engineering Test and Demonstration Satellite (WINDS)", AIAA, 20^th International Communications Satellite Systems Conference, Montreal, май 2002 г., и A. Anakabe, A. Mallet, F. Gizard, C. Laporte, T. Robert, C. Boulanger, J. Sombrin, L. Lapierre, P. Barretto-Da-Rocha, P. Frichot, F. Coromina, J. Collantes, "Ka-band Multi-port Amplifier Characteristics for Space Telecommunication Operation", 6^th International Vacuum Electronics Conference, Noordwijk, Netherlands, апрель 2005 г.

Самой эффективной многолучевой полезной нагрузкой является архитектура с одним облучателем для каждого луча (SFB), в которой, как правило, используются 3 или 4 антенны для генерации регулярного набора смежных лучей. Эти лучи применяют высокую степень многократного использования частоты, например, с использованием 4-"цветовой" схемы многократного использования частоты. Существенным недостатком SFB является отсутствие гибкости, в частности, распределения мощности лучам. Применение MPA может обеспечить эту гибкость со значительным улучшением полезности этой архитектуры посредством обеспечения возможности мощности (передаваемой энергии) динамически следовать за изменениями в потреблении по зоне обслуживания. MPA могут быть использованы в широкополосных приемопередатчиках с переменной шириной полосы, обеспечивающих гибкое выделение мощности, а также ширины полосы каждому лучу с обеспечением оптимальных характеристик линии связи в каждом случае. Переменная ширина полосы может быть обеспечена с использованием или аналоговой или цифровой обработки сигналов.

По существу, MPA содержит входную матрицу Батлера или схему, состоящую только из гибридных схем с 2^N (N=1, 2 ... и т.д) входами сигнала, и обеспечивает доступ для каждого из этих входов в равной степени к одинаковому количеству (2^N) усилителей. Выход усилителей обеспечивается в другую матрицу Батлера или набор гибридных схем, которые зеркально отображают конфигурацию входной схемы и которые снова объединяют выводы усилителя в тот же самый исходный набор сигналов, но усиленный. Большое преимущество MPA состоит в том, что при обеспечении доступа в равной степени для каждого порта ввода к каждому усилителю достижимой мощностью, доступной для каждого порта, является 2^N×P, где P является мощностью каждого отдельного усилителя. Соответственно, с обеспечением широкого диапазона выходной мощности, которая может быть динамически и очень гибко совместно использована между 2^N входами, MPA осуществляет высокую степень гибкости.

Существенной проблемой в обеспечении MPA Ku- и Ka-диапазона является проблема отслеживания фазы и амплитуды между усилителями и другими блоками в рассматриваемых частотах (12 ГГц в Ku-, 20 ГГц в Ka-диапазоне) и влияний этого отслеживания на характеристики развязки между портами (так называемая проблема перекрестных помех).

Подробно исследованы влияния рассогласований амплитуды/фазы на характеристики MPA, и найден конструктивный признак/настройка, посредством которых воздействия рассогласования могут быть уменьшены, в частности, в отношении развязки. Формулы и схемы потока сигналов иллюстрируют, как MPA могут быть оптимизированы для многолучевых полезных нагрузок с обеспечением лучшей развязки между портами одинакового "цвета" луча. Анализ проводится со ссылкой, в частности, на MPA с 8 портами, использующими INET и ONET, содержащие исключительно гибридные схемы, которые являются конфигурацией, обычно представляющей наибольший интерес. Однако из-за симметричного характера MPA и их масштабируемости, в общем, аналитический базис применим к любому порядку и для схем, воплощающих INET/ONET матрицы Батлера. В настоящее время используются MPA с 4 и 8 портами. MPA, имеющие больше 16 портов могут быть менее приемлемыми из-за сложности схемы, хотя чем сложнее MPA, тем изобретение будет иметь большее значение.

Согласно первому аспекту изобретения обеспечен способ настройки многопортового усилителя, причем этот многопортовый усилитель содержит четное количество усилителей мощности, скомпонованных параллельно, и каждый усилитель соединен попарно с другим усилителем, ряд портов ввода и ряд портов вывода, причем эти порты ввода соединены с усилителями схемой разделения сигналов, и эти порты вывода соединены с усилителями схемой объединения сигналов, посредством чего входной сигнал в любом данном порту ввода усиливается всеми усилителями и затем снова объединяется в выходной сигнал в данном порту вывода, причем этот способ включает в себя этап согласования фазы сигнала и усиления каждого усилителя с фазой сигнала и усилением соединенного с ним попарно усилителя до более точного согласования, чем упомянутое согласование между не соединенными попарно усилителями.

В контексте использования на спутниках и для использования в других системах связи усилители мощности обычно являются сверхвысокочастотными усилителями мощности.

Общепринятая настройка включает в себя согласование всех усилителей до одной степени точности и является итерационным процессом, включающим в себя регулировку фазы и усиления каждого усилителя до тех пор, пока не будет достигнута одинаковая требуемая развязка во всех портах вывода для данного порта ввода. Она включает в себя, при каждой итерации, измерение значений фазы и усиления во всех портах вывода с каждым портом ввода, вызываемое последовательно (то есть всего 2×8×8 измерений (фазы и усиления) при каждой итерации для 8 портов MPA). Кроме того, может существовать несколько этапов настройки, например обеспечение требуемых характеристик во внешней среде при высоких и низких температурах. Соответственно, любая конфигурация MPA, которая в результате приводит к меньшим требованиям по развязке в некоторых портах с соответствующим уменьшением настройки усилителя, обеспечивает существенную экономию времени и стоимости.

По оценкам, способ, соответствующий изобретению, требующий только частичного согласования усилителей и гибридных схем, в действительности, вероятно, будет на 20-30% более эффективным по времени в настройке.

Упомянутый этап согласования каждого усилителя с соединенным с ним попарно усилителем предпочтительно выполняется посредством упомянутого согласования усилителей, соединенных попарно смежно друг с другом.

Каждая из этих пар HPA, со связанными с ними гибридными схемами, предпочтительно объединены вместе как модульные блоки и предпочтительно с общим блоком питания для каждого блока.

Схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, могут включать в себя ряд соответствующих гибридных схем разделения сигналов и объединения сигналов, и при этом упомянутый этап согласования соединенных попарно усилителей, смежных друг с другом, также включает в себя согласование фазы сигнала и вносимых потерь для соответствующих входных и выходных гибридных схем, находящихся в самом близком соединении с каждой упомянутой парой усилителей.

При этом каждая пара усилителей является парой смежных усилителей, причем эта пара и соответствующие входные и выходные гибридные схемы, находящиеся в самом близком с ними соединении, могут быть выполнены в виде автономного блока с общим блоком питания.

Упомянутый этап согласования каждого усилителя с соединенным с ним попарно усилителем может быть выполнен посредством упомянутого согласования соединенных попарно через один усилителей. При этом имеет место то, что упомянутый этап согласования соединенных попарно через один усилителей может также включать в себя согласование фазы сигнала и вносимых потерь для соответствующих входных и выходных гибридных схем, находящихся как в самом близком соединении, так и в следующем по близости соединении с каждым соединенным попарно усилителем.

Согласование каждого усилителя с соединенным с ним попарно усилителем также может быть выполнено посредством согласования усилителей, соединенных попарно в каждом 4-м положении. Когда это выполнено, и если схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, включают в себя ряд соответствующих гибридных схем разделения сигналов и объединения сигналов, то этап согласования соединенных попарно усилителей также может включать в себя согласование фазы сигнала и вносимых потерь для соответствующих входных и выходных гибридных схем, находящихся в самом близком соединении, втором по близости соединении и третьем по близости соединении с каждым из соединенных попарно усилителей.

Этап согласования фазы и усиления сигнала каждого усилителя с фазой и усилением сигнала соединенного с ним попарно усилителя может быть выполнен, по существу, до 10-15 градусов фазы сигнала и 1,0-2 дБ усиления, более точно, по существу, до 7-10 градусов фазы сигнала и 0,7-1,0 дБ усиления, еще более точно, по существу, до 5-7 градусов фазы сигнала и 0,5-0,7 дБ усиления. Если требуется еще лучшее согласование при определенных условиях, то может быть получено согласование, по существу, до менее 5 градусов фазы сигнала и менее 0,5 дБ усиления. Понятно, что это требует больших затрат времени, чем получение более слабого согласования из предыдущих трех диапазонов, но во всех случаях только соединенные попарно усилители согласуются до более узких границ, и во многих случаях для не соединенных попарно усилителей может вообще не требоваться никакой регулировки по отношению к их состоянию при изготовлении. Соответственно, этап согласования упомянутых не соединенных попарно усилителей может иметь место, по существу, до фазы сигнала от 15 до 20 градусов и 1,5-2,5 дБ усиления.

Все гибридные схемы могут быть согласованы, по меньшей мере, по существу, до 10 градусов фазы сигнала и 1 дБ вносимых потерь.

Отклонение от разности фаз 90 градусов между гибридными портами вывода может быть установлено, по меньшей мере, по существу, в 5 градусов и отслеживание вносимых потерь между портами ввода и вывода гибридной схемы, по меньшей мере, по существу, в 0,3 дБ.

Согласование между каждым усилителем в смежной паре, по меньшей мере, до 10 градусов фазы сигнала и 1,0 дБ обеспечивает развязку минимум 24 дБ для архитектуры SFB, работающей с четырехцветовым многократным использованием частоты. При значениях, равных, по меньшей мере, до 7 градусов фазы сигнала и 0,7 дБ, будет обеспечена развязка 26 дБ для идентичной архитектуры с запасом 2 дБ для защиты от старения и изменений температуры. Согласование до степени ближе, чем согласование, например, по меньшей мере, до 5 градусов фазы сигнала и 0,5 дБ, может быть предпочтительным, например, в архитектуре SFB, работающей с четырехцветовым многократным использованием и с несущими, значительно отличающимися по мощности. Но это, конечно, труднее и, следовательно, требует больших затрат для осуществления.

Хорошее согласование также требуется между несмежными HPA для обеспечения приемлемой развязки между портами разного цвета и приемлемой эффективности объединения, но не до такой степени, как для развязки между портами одинакового цвета. Представлены примеры с решением, обеспечивающие оценки развязки и эффективность объединения. Они подтверждены посредством моделирований MPA.

Может быть применено согласование соединенных попарно через один усилителей (для MPA с ≥4 портами), каждого 4-го усилителя (для MPA с ≥8 портами), каждого 8-го усилителя (для MPA с ≥16 портами) и т.д. И опять же, это согласование будет до такой степени, которая является более точной, чем согласование между не соединенными попарно усилителями.

Согласно второму аспекту изобретения обеспечен многопортовый усилитель, содержащий четное количество усилителей мощности, скомпонованных параллельно, и причем каждый усилитель соединен попарно с другим усилителем, ряд портов ввода и ряд портов вывода, причем эти порты ввода соединены с усилителями схемой разделения сигналов, и эти порты вывода соединены с усилителями схемой объединения сигналов, посредством чего входной сигнал в любом данном порту ввода усиливается всеми усилителями и затем снова объединяется в выходной сигнал в данном порту вывода, причем этот многопортовый усилитель настраивается согласно способу по первому аспекту изобретения.

Схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, могут содержать матрицу Батлера 8×8.

Схема разделения сигналов может в качестве альтернативы включить в себя ряд гибридных схем разделения сигналов, при этом схема объединения сигналов включает в себя ряд гибридных схем объединения сигналов.

Многопортовый усилитель может содержать 8 портов, и схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, могут содержать три столбца гибридных схем, эквивалентных матрице Батлера, без регуляторов фазы между гибридными схемами. Первые четыре порта ввода, каждый, могут быть соединены с разными неперекрывающимися полосами частот, при этом вторые четыре порта ввода, каждый, соединены с одной из одинаковых четырех полос частот.

В альтернативном варианте осуществления первые четыре порта ввода через один соединены с двумя разными неперекрывающимися полосами частот, и вторые четыре порта ввода, каждый, соединены с двумя разными неперекрывающимися полосами частот, при этом две полосы частот для первого набора из четырех портов ввода отличаются от полос частот второго набора.

В следующем альтернативном варианте осуществления пары смежных портов ввода соединены с полосами частот одинаковой частоты, причем каждая пара соединена с одной из четырех разных неперекрывающихся полос частот.

Каждый порт вывода может быть соединен с соответствующим облучателем антенны с одним облучателем для каждого луча, при этом многолучевая антенна должна формировать набор лучей с частотами в соответствии с определенной схемой многократного использования частоты.

Анализ развязки, представленный в этом документе, обеспечивает возможность выбора порта вывода для оптимальной развязки в многолучевых схемах многократного использования частоты, и анализ IM оказывает содействие при распределении частот портам ввода для минимальных помех IM.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описывается на примере со ссылкой на следующие чертежи, на которых:

фиг.1 - схематичное представление MPA с 8 портами, использующего INET и ONET, созданных исключительно из гибридных схем, а не матрицы Батлера, которая заключает в себе и гибридные схемы, и регуляторы фазы;

фиг.2 - схематичное представление гибридной схемы, используемой в настоящем изобретении;

фиг.3 - схема потока сигналов в MPA с 8 портами, изображающая нулевые точки сигнала для согласуемых смежных пар усилителей;

фиг.4 - схема альтернативного потока сигналов в MPA, изображающая альтернативные нулевые точки сигнала для согласования пар усилителей через один;

фиг.5 - схема альтернативного потока сигналов в MPA, изображающая альтернативные нулевые точки сигнала для согласования каждого четвертого усилителя;

фиг.6 - схема потока сигналов в MPA для согласования всех усилителей, изображающая конструктивное суммирование сигналов;

фиг.7 - таблица, в которую сведено оборудование MPA, критичное в определении развязки в каждом выводе;

фиг.8 - таблица, изображающая порты вывода для интермодуляционных составляющих 3-го порядка 3 несущих для MPA с 8 портами.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена схема MPA с 8 портами. Она содержит набор из 3 столбцов по 4 входных гибридных схемы, один столбец из 8 усилителей и набор из 3 столбцов по 4 выходных гибридных схемы.

На фиг.2 приведено определение элемента гибридной схемы (входной или выходной гибридной схемы). Предполагается, что входные и выходные сигналы p₁ и p₂ и q₁ и q₂ являются комплексными. Передаточная функция гибридной схемы представлена соответственно:

(1)

где C₁₁, C₁₂, C₂₁, C₂₂, все, являются постоянными комплексными коэффициентами, которые могут быть представлены следующим образом:

C₁₁=r₁₁.expj.θ₁₁, C₁₂=j.r₁₂.expj.θ₁₂, C₂₁=j.r₂₁.expj.θ₂₁, C₂₂=r₂₂.expj.θ₂₂. (2)

В идеальном случае для совершенной гибридной схемы все r=1/√2 и все θ=0, и матрица преобразования обращается в

(3)

Для практических гибридных схем r и θ отклоняются от идеала, и если отклонения являются маленькими (√2/r<0,2 дБ, θ<10°), то могут быть сделаны следующие аппроксимации:

C₁₁=(α/√2)(1+σ₁₁+j.θ₁₁), C₁₂=j(α/√2)(1+σ₁₂+j.θ₁₂),(4)

C₂₁=j(α/√2)(1+σ₂₁+j.θ₂₁), C₂₂=(α/√2)(1+σ₂₂+j.θ₂₂), (5)

где α - коэффициент потерь, общий для всех входных или выходных гибридных схем (между 0,2-0,7 дБ, в зависимости, например, от того, находится ли гибридная схема в волноводе или коаксиальной линии передачи), и σ и θ являются соответственно отклонениями фазы и амплитуды от номинала (номинал = 1,0 и 0° соответственно для амплитуды и фазы).

Для анализа предполагается, что усилители являются абсолютно линейными с комплексным коэффициентом усиления G, представленным функцией

A=G.expj.ø.(6)

Как описано выше, и в идеальном случае в транспондере MPA, все усилители будут согласованы и иметь одинаковые значения G и ø. Однако для практических усилителей будут существовать отклонение Δ и δ в отношении некоторого среднего значения усиления и фазового сдвига G₀ и ø₀ соответственно. Для маленьких отклонений (Δ<0,5 дБ, δ<10°) функция усиления может быть записана как

A=G₀.(1+Δ+j.δ).expj.ø₀.(7)

Общая матрица преобразования MPA задается посредством

Φ=y'.x'.t'.A.y.x.t, или Φ=Г.A.Ω,(8)

где t, x и y являются матрицами преобразования из первого, второго и третьего столбца входных гибридных схем (с комбинированной общей передаточной функцией Ω), и t^', x' и y^' - матрицы преобразования из соответствующих столбцов выходных гибридных схем (комбинированная общая передаточная функция Г), как определено на фиг.1.

Матричные представления для каждого столбца входных гибридных схем представлены ниже. Буквенные нижние индексы при передаточных коэффициентах гибридной схемы соответствуют буквенным обозначениям гибридных схем, изображенных на фиг.1.

Матричные представления для набора выходных гибридных схем представлены ниже:

С идеальными гибридными схемами, то есть все C₁₁, C₂₂=1/√2 и все C₁₂, C₂₁=j/√2, и с предположением усилителей с нулевым фазовым сдвигом, единичным усилением, общая матрица преобразования тогда задается уравнением

Соответственно, q1=-jp8, q2=-jp7 …… и т.д.

С предположением практических значений C₁₁, C₂₂, C₁₂, C₂₁ и A полное матричное представление Φ становится математически громоздким. Для иллюстрации конкретных свойств передаточной функции MPA ниже представлен выбор элементов из этой матрицы. Все они относятся к порту 1 I/P, но общие характеристики, демонстрируемые выбором уравнений, могут быть в равной степени применены к любому другому порту I/P.

Φ₁₁ (уравнение 12) представляет уровень сигнала в порту 1 I/P, появляющегося в порту 1 O/P, Φ₅₁ (уравнение 14) - в порту 4 O/P и т.д.

Для идеальной системы Φ₁₁-Φ₇₁ должны быть равны 0 (абсолютная развязка), при этом Φ₈₁=-j. Однако практические компоненты в результате приводят к конечной развязке между портами.

Исследование вышеупомянутых формул демонстрирует следующее:

Φ₁₁, Φ₄₁ (также относится к Φ₃₁ и Φ₄₁, не изображены): развязка в соответствующих портах O/P определяется, согласно изобретению, для первого порядка аппроксимации, согласованием между парами смежных усилителей (A₁/A₂, A₃/A₄ … и т.д.) и качеством (дифференциал вносимых потерь и отклонение от 90° между портами O/P) самых внутренних гибридных схем J, K, L и М и a, b, c и d. Это свойство изображено посредством подчеркивания соответствующих множителей в уравнении 12 и уравнении 13 и схемы потока сигналов на фиг.3. На схеме потока изображено, что с согласованием между смежными усилителями и связанными с ними гибридными схемами автоматическое подавление сигнала происходит в O/P самых внутренних выходных гибридных схем (в точках S). Этот эффект можно объяснить со ссылкой, например, на пару A₅/A₆ усилителей с входом сигнала в порту p₁. В случае усилителя A₆ относительный фазовый сдвиг от входа самой близкой входной гибридной схемы (L) до выхода самой близкой выходной гибридной схемы (c) будет на 180° больше, чем фазовый сдвиг между этими портами через A₅. Эта разность фаз вводится двумя сдвигами 90°, созданными гибридными схемами и с той, и с другой стороны пары усилителей, и в результате приводит к подавлению, как обозначено. Соответственно, качество средних и внешних гибридных схем оказывает незначительное влияние на развязку в этих случаях. Фактически, для этих случаев, для лучшего согласования и, следовательно, развязки пары усилителей и связанные с ними гибридные схемы (например, A₅/A₆ с гибридными схемами L и c) могут быть сконструированы как интегрированные скомпонованные блоки.

Φ₅₁ (также относится к Φ₆₁, не изображено): для этих случаев развязка определяется, по существу, согласованием между парами усилителей через один (A₁/A₃, A₂/A₄ ... и т.д) и качеством и согласованием самого внутреннего и среднего наборов гибридных схем. Соответствующая схема потока сигналов изображена на фиг.4. Она демонстрирует, что происходит конструктивное сложение сигналов в O/P (в точках S') первой строки гибридной схемы, причем подавление происходит в O/P средней строки (в S). И опять же, подавление можно объяснить в терминах введения дифференциала фазового сдвига 2×90° гибридными схемами и с той, и с другой стороны пары усилителей, в этом случае гибридными схемами в среднем столбце. Например, в случае пары A₂/A₄ и с сигналом, введенным в порту p1 ввода, соответствующими гибридными схемами являются "E" и "f".

Φ₇₁: в этих случаях развязка определяется, по существу, согласованием между каждым четвертым усилителем (A₁/A₅, A₂/A₆ ... и т.д.) и качеством и согласованием самого внутреннего, среднего и самого внешнего наборов гибридных схем, то есть всеми компонентами в MPA. Подавление сигнала для этого случая происходит в O/P (в точке S) самых внешних гибридных схем, как показано на фиг.5. В этом случае фазовый сдвиг 2×90° вводится наиболее удаленными столбцами гибридных схем. Например, в случае пары A₂/A₆ и с сигналом, поданным в порт p1 ввода, соответствующими гибридными схемами являются "A" и "m".

Φ₈₁: она связана с требуемым выводом и представляет потерю объединения. Она зависит от согласования между всеми блоками, но не с равной степенью критичности в отношении развязки. Конструктивное сложение в этом случае происходит по всей выходной схеме (в точках S'), как изображено на фиг.6.

Сводка для оборудования MPA, критичного в определении развязки в каждом O/P, приведена на фиг.7. В ней устанавливается для каждого порта O/P то оборудование, которое должно быть согласовано для достижения хорошей развязки от сигнала в соответствующем порту I/P. Следующий ключ относится к этой таблице

- X: согласуемые смежные усилители (A₁/A₂, A₃/A₄ …) и согласуемые связанные с ними самые внутренние гибридные схемы,

- Y: согласуемые через один усилители (A₁/A₃, A₂/A₄ …) и согласуемые самые внутренние и средние наборы гибридных схем,

- Z: согласуемые четвертые усилители (A₁/A₅, A₂/A₆ …), согласуемые самые внутренние, средние и самые внешние наборы гибридных схем.

Элементы "OP" на фиг.7 обозначают требуемый порт O/P, соответствующий данному порту I/P.

Развязка здесь определяется как отношение требуемых к нежелательным вносимым потерям сигнала (которое включает в себя любые потери объединения) в данном порту вывода и определяется в терминах общей матрицы Φ преобразования MPA как

(17)

где m и n - порты ввода мешающего и требуемого сигналов соответственно. (N-n+1) является портом вывода требуемого сигнала, причем N равно общему количеству портов вывода или порядку MPA, в этом случае 8, и учитывает перестановку между нумерацией портов O/P и I/P.

Точное выражение для развязки может быть получено в терминах отдельных параметров характеристик усилителя и гибридной схемы посредством отношения квадратов модулей соответствующих элементов матриц Φ_(N-n+1),m и Φ_(N-n+1),n, как определено в уравнении (17).

Однако формулы, представленные ниже, основаны на rms (среднеквадратическом) значении параметров характеристик и приводят к среднему значению для развязки. Термы, использованные здесь, включают в себя несовершенство гибридных схем.

Если отклонения фазы и усиления усилителей от средних значений представлены посредством Δ и δ соответственно, как в уравнении (7), и отклонения гибридных схем - посредством σ и θ, как в уравнении (4) и уравнении (5), то предполагается, что

где N - количество усилителей, равное количеству портов вывода или ввода MPA, и М - количество гибридных схем=Nlog2N. Средние значения Δ, δ и т.д. тогда определяются

Для приближения первого порядка из уравнений (12)-(16) можно показать, что средняя развязка для MPA с 8 портами задается в децибелах:

где ε - rms (среднеквадратическое) суммирование отклонений фазы/амплитуды гибридной схемы и усилителя. Множители, включаемые в это суммирование, зависят от того, какой порт O/P рассматривается для данного порта I/P. Эти множители могут быть установлены согласно фиг.7 и являются следующими:

Случаи, обозначенные X:

где - соответственно rms (среднеквадратические) рассогласования фазы и амплитуды между соединенными попарно смежными усилителями (A₁/A₂, A₃/A₄ …… и т.д.), и соответствуют качеству самого внутреннего набора гибридных схем (то есть средний дифференциал вносимых потерь между портами O/P данной гибридной схемы и отклонение от 90° между ее портами вывода).

Случаи, обозначенные Y:

где и - соответственно rms рассогласования амплитуды и фазы между усилителями через один (A₁/A₃, A₂/A₄ ... и т.д.), и - соответственно rms рассогласования вносимых потерь и фазы между смежными гибридными схемами в самом внутреннем наборе, и и соответствуют качеству среднего набора гибридных схем (то есть средний дифференциал вносимых потерь между портами O/P данной гибридной схемы и отклонение от 90° между его портами вывода).

Случаи, обозначенные Z:

где и - соответственно rms рассогласования амплитуды и фазы между каждым четвертым усилителем (A₁/A₅, A₂/A₆ ... и т.д.), и - соответственно rms рассогласования вносимых потерь и фазы между гибридными схемами через один в самом внутреннем наборе, и - соответственно rms рассогласования вносимых потерь и фазы между смежными гибридными схемами в среднем наборе, и и соответствуют качеству самого внешнего гибридного набора (то есть средний дифференциал вносимых потерь между портами O/P данной гибридной схемы и отклонение от 90° между его портами вывода).

В вышеупомянутых уравнениях рассогласования амплитуды и фазы выражены не как отдельные отклонения оборудования, а как дифференциалы между оборудованием.

Можно показать, что потери объединения MPA (вносимые потери, за исключением омических потерь) для первого порядка аппроксимации равны:

В качестве примера, для согласования, применяемого к паре смежных усилителей, с менее точным согласованием для не соединенных попарно усилителей, следующие характеристики оборудования предполагаются как практические:

согласование между соединенными попарно смежными усилителями: 0,7 дБ и 5°,

согласование между не соединенными попарно усилителями: 2 дБ и 15°,

качество гибридных схем: дифференциал 0,3 дБ между портами O/P, отклонение 5° от 90°,

согласование между разными гибридными схемами: 1 дБ и 10°.

Следующие средние развязки получены для 3 случаев X, Y и Z, как обозначено на фиг.7:

X: 27 дБ, Y: 18 дБ, Z: 17 дБ, потери объединения: 0,30 дБ.

Таким образом, получено улучшение приблизительно 10 дБ для случаев с лучшим согласованием соединенных попарно смежных усилителей (случаи, обозначенные X на фиг.7). Таким образом, соединенные попарно смежные усилители вместе с соединенными с ними самыми внутренними гибридными схемами могут быть преимущественно упакованы в виде интегрированного скомпонованного блока. В этом случае каждая пара в скомпонованном блоке будет преимущественно скомпонована для работы от общего источника питания. Использование общего блока питания для этих двух усилителей внутри скомпонованного блока улучшает собственные характеристики отслеживания этого скомпонованного блока. Это, в частности, полезно для лампового усилителя бегущей волны, для которого отслеживание фазы критично зависит от согласования блоков питания между усилителями.

Эта компоновка может обеспечить лучшую развязку между сигналами, использующими порты 1-4, и сигналами, использующими порты 5-8. Соответственно, в многолучевой схеме многократного использования частоты лучшая развязка может быть достигнута, если, например, в 4-цветовой схеме многократного использования частота F1 луча используется только один раз в наборе портов 1-4 и повторяется один раз в портах 5-8. Соответственно, MPA с 8 портами в этой конфигурации может идеально подойти для 4-цветовой схемы многократного использования с F1, F2, F3 и F4, назначенными портам 1-4 и повторяющимися в портах 5-8.

Характеристики, менее критично зависящие от характеристик отслеживания, включают в себя развязку между портами вывода с разной частотой или "цветом" и потери объединения MPA. Соответственно, требования к отслеживанию между усилителями разных автономных блоков (или фазовых комбинированных ламп (phase combined tube, "PCT") для ламповых усилителей бегущей волны) могут быть ослаблены, что в результате приводит к сокращенным настройке MPA и времени тестирования.

Со ссылкой на фиг.7, может быть установлено, что посредством согласования пар усилителей через один, с менее точным согласованием между не соединенными попарно усилителями, упомянутая конфигурация может также подойти для 4-цветовых схем многократного использования, но при этом F1 относится к портам 1 и 3, F2 - к портам 2 и 4, F3 - к портам 5 и 7, и F4 - к портам 6 и 8. Аналогично, с согласованием каждого 4-го усилителя, упомянутая конфигурация также может подойти для 4-цветовой схемы многократного использования, при этом F1 относится к портам 1 и 2, F2 - к портам 3 и 4, F3 - к портам 5 и 6, и F4 - к портам 7 и 8. Однако в этих случаях преимущество соединенных попарно смежных усилителей, состоящее в возможности интеграции усилителей плюс связанных с ними самых внутренних гибридных схем в автономный блок, утрачивается. Кроме того, в этих случаях большее количество гибридных блоков вводится в уравнения, определяющие развязку (уравнения 22 и 23). Соответственно, с предположением одинаковых характеристик оборудования в отношении случая соединенных попарно смежных усилителей, но теперь с попарным соединением через один между усилителями, средними развязками теперь становятся:

X: 20 дБ, Y: 21 дБ, Z: 17 дБ, потери объединения: 0,34 дБ.

И для случая, в котором согласуется каждый 4-й усилитель, результатами являются:

X: 20 дБ, Y: 18 дБ, Z: 20 дБ, потери объединения: 0,38 дБ.

По сравнению с вышеприведенными результатами для согласуемого попарно соединенного через один и каждого 4-го усилителя, результаты для согласуемых смежных усилителей (X: 27 дБ, Y: 18 дБ, Z: 17 дБ) значительно лучше и могут являться предпочтительным решением для многих применений.

Интермодуляционные составляющие (IMP) MPA являются результатом нелинейностей HPA и могут быть представлены известным разложением в ряд:

где V_in и V_out - напряжения входного и выходного сигнала HPA, и α₁, α₂, α₃, ……, и т.д. - постоянные коэффициенты. В случае MPA набор сигналов V_a1, V_a2 …… на входе в усилители A₁, A₂, … задается:

где Г - матрица преобразования набора входных гибридных схем (см. уравнение (8)), и p1, p2 ... - напряжения входного сигнала MPA.

IMP IM_a1, IM_a2 ..., появляющиеся в каждом выходе усилителя, определяются из уравнения (25). Для выбранной интермодуляционной составляющей (соответствующей терму в уравнении (25), который возводится в степень, равную интересующему порядку составляющей) IMP, появляющиеся в O/P MPA, IM₁, IM₂, ……, определяются соотношением:

где IM_a1, IM_a2, ... - выбранные IMP на выходах усилителей A₁, A₂ ... и т.д, и Ω - матрица преобразования набора выходных гибридных схем (уравнение (8)).

Следующие выводы сделаны из анализа (с предположением идеальных гибридных схем MPA и отслеживанием усилителя):

- Если в одном порту I/P используется несколько несущих, то все составляющие IM появляются в соответствующем порту O/P без составляющих, появляющихся в любом другом порту.

- Если две несущие, частоты F_a и F_b соответственно, используются в двух разных портах I/P, то эти две несущие, составляющие N-го порядка (N=m+n, m-n=1, то есть 3-го, 5-го, 7-го ... и т.д.) появляются, как изложено ниже:

IMP mF_a-nF_b появляется в O/P с F_b, если m четное, но с F_a, если m является нечетным,

MF_b-nF_a появляется в O/P с F_a, если m четное, но с F_b, если m является нечетным.

Если используются три несущие F_a, F_b, F_c в 3 разных портах, то IMP самого высокого уровня, то есть эти три несущие, составляющие 3-го порядка, все появляются в одном порту вывода, который отличается от любого из портов требуемого сигнала. Это, в общем, согласуется с другими исследованиями, например, M. Tanaka, Y. Suzuki, "Nonlinear Distortion Analysis of Multiport Amplifier" AIAA, 22^rd International Communications Satellite Systems Conference, Monterey, май 2004 г., и демонстрируется на фиг.8 для MPA с 8 портами. Это устанавливает порт O/P, из которого IMP 3 несущих появляются для всех 56 комбинаций 3 отдельных входных несущих. Идентификация положения IMP для этих случаев может быть полезной в построении плана частоты многолучевой полезной нагрузки с целью определения положения создающих проблемы IMP высокого уровня вдали от чувствительного трафика.

Изобретение, в частности, применимо к MPA Ku- и Ka-диапазонов, для которых частоты имеют соответственно короткие длины волн (0,025-0,015 метров). С этими короткими длинами волн особенно трудно достигнуть требуемых характеристик отслеживания по сравнению с конструкциями диапазона S или L (длина волн 0,2-0,14 метров), которые были успешно включены в полезные нагрузки. Соответственно, время диагностики и синхронизации для MPA Ku- и Ka-диапазонов больше, и требуется больше затрат, и использование изобретения на этих частотах является, следовательно, более эффективным.

Изобретение относится к настройке многопортовых усилителей (МРА) и, в частности, к регулировке соотношений фазы и усиления между отдельными усилителями в МРА. Технический результат заключается в уменьшении времени диагностики и настройки многопортовых усилителей. Многопортовый усилитель содержит четное количество усилителей мощности, скомпонованных параллельно, ряд портов ввода и ряд портов вывода, при этом входной сигнал в любом данном порту ввода усиливается всеми усилителями и затем снова объединяется в выходной сигнал в данном порту вывода. Способ настройки включает в себя этапы согласования фазы сигнала и усиления каждого усилителя в паре смежных усилителей с другим усилителем. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ настройки многопортового усилителя, причем этот многопортовый усилитель содержит четное количество усилителей мощности, скомпонованных параллельно, и каждый усилитель соединен попарно с другим усилителем, ряд портов ввода и ряд портов вывода, причем количество портов ввода и количество портов вывода равно количеству усилителей мощности, эти порты ввода соединены с усилителями схемой разделения сигналов, и эти порты вывода соединены с усилителями схемой объединения сигналов, посредством чего входной сигнал в любом данном порту ввода усиливается всеми усилителями и затем снова объединяется в выходной сигнал в данном порту вывода, причем этот способ включает в себя этап согласования фазы сигнала и усиления каждого усилителя с фазой сигнала и усилением соединенного с ним попарно усилителя до более точного согласования, чем упомянутое согласование между не соединенными попарно усилителями.

2. Способ настройки многопортового усилителя по п.1, в котором упомянутый этап согласования каждого усилителя с соединенным с ним попарно усилителем выполняется посредством упомянутого согласования усилителей, соединенных попарно смежно друг с другом.

3. Способ настройки многопортового усилителя по п.2, в котором схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, включают в себя ряд соответствующих гибридных схем разделения сигналов и объединения сигналов, и в котором упомянутый этап согласования соединенных попарно усилителей, смежных друг с другом, также включает в себя согласование фазы сигнала и вносимых потерь для соответствующих входных и выходных гибридных схем, находящихся в самом близком соединении с каждой упомянутой парой усилителей.

4. Способ настройки многопортового усилителя по п.3, в котором каждая смежная пара усилителей и соответствующие входные и выходные гибридные схемы, находящиеся в самом близком с ними соединении, содержат автономный блок с общим блоком питания.

5. Способ настройки многопортового усилителя по п.1, в котором упомянутый этап согласования каждого усилителя с соединенным с ним попарно усилителем выполняется посредством согласования усилителей через один.

6. Способ настройки многопортового усилителя по п.5, в котором схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, включают в себя ряд соответствующих гибридных схем разделения сигналов и объединения сигналов, и в котором упомянутый этап согласования соединенных попарно через один усилителей также включает в себя согласование фазы сигнала и вносимых потерь для соответствующих входных и выходных гибридных схем, находящихся как в самом близком соединении, так и следующем по близости соединении с каждым соединенным попарно усилителем.

7. Способ настройки многопортового усилителя по п.1, в котором упомянутый этап согласования каждого усилителя с соединенным с ним попарно усилителем выполняется посредством согласования между каждым 4-м усилителем.

8. Способ настройки многопортового усилителя по п.7, в котором схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, включают в себя ряд соответствующих гибридных схем объединения сигналов и разделения сигналов, и в котором упомянутый этап согласования усилителей, соединенных попарно в каждом 4-м положении, также включает в себя согласование фазы сигнала и вносимых потерь для соответствующих входных и выходных гибридных схем, находящихся в самом близком соединении, втором по близости соединении и в третьем по близости соединении с каждым соединенным попарно усилителем.

9. Способ настройки многопортового усилителя по любому из пп.1-8, включающий в себя этап согласования упомянутых фазы сигнала и усиления каждого усилителя с фазой сигнала и усилением соединенного с ним попарно усилителя, по существу, до в пределах 10-15 градусов фазы сигнала и 1-2 дБ усиления.

10. Способ настройки многопортового усилителя по любому из пп.1-8, включающий в себя этап согласования упомянутых фазы сигнала и усиления каждого усилителя с фазой сигнала и усилением соединенного с ним попарно усилителя, по существу, до в пределах 7-10 градусов фазы сигнала и 0,7-1,0 дБ усиления или этап согласования упомянутых фазы сигнала и усиления каждого усилителя с фазой сигнала и усилением соединенного с ним попарно усилителя, по существу, до в пределах 5-7 градусов фазы сигнала и 0,5-0,7 дБ усиления или этап согласования упомянутых фазы сигнала и усиления каждого усилителя с фазой сигнала и усилением соединенного с ним попарно усилителя, по существу, до в пределах менее 5 градусов фазы сигнала и менее 0,5 дБ усиления.

11. Способ настройки многопортового усилителя по п.10, включающий в себя этап согласования упомянутых не соединенных попарно усилителей, по существу, до в пределах 15-20 градусов фазы сигнала и 1,5-2,5 дБ усиления.

12. Способ настройки многопортового усилителя по любому из пп.3, 4, 6 или 8, включающий в себя этап согласования всех гибридных схем, по меньшей мере, по существу, до 10 градусов фазы сигнала и 1 дБ вносимых потерь.

13. Способ настройки многопортового усилителя по любому из пп.3, 4, 6 или 8, включающий в себя этап установки отклонения от разности фаз 90 градусов между портами вывода гибридной схемы, по меньшей мере, по существу, до 5 градусов и отслеживания вносимых потерь между портами ввода и вывода гибридной схемы, по меньшей мере, по существу, до 0,3 дБ.

14. Способ настройки многопортового усилителя по любому из пп.1-8, в котором усилители мощности являются сверхвысокочастотными усилителями мощности.

15. Многопортовый усилитель, содержащий четное количество усилителей мощности, скомпонованных параллельно, и каждый усилитель соединен попарно с другим усилителем, ряд портов ввода и ряд портов вывода, причем эти порты ввода соединены с усилителями схемой разделения сигналов, и эти порты вывода соединены с усилителями схемой объединения сигналов, посредством чего входной сигнал в любом данном порту ввода усиливается всеми усилителями и затем снова объединяется в выходной сигнал в данном порту вывода, причем этот многопортовый усилитель настраивается согласно способу по любому из предыдущих пунктов.

16. Многопортовый усилитель по п.15, содержащий 8 портов, и в котором схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, содержат матрицу Батлера 8×8.

17. Многопортовый усилитель по п.15, в котором схема разделения сигналов включает в себя ряд гибридных схем разделения сигналов, и схема объединения сигналов включает в себя ряд гибридных схем объединения сигналов.

18. Многопортовый усилитель по п.17, содержащий 8 портов, и в котором схемы разделения сигналов и объединения сигналов, каждая, содержат три столбца гибридных схем, эквивалентных матрице Батлера, без регуляторов фазы между гибридными схемами.

19. Многопортовый усилитель по любому из пп.16, 17 или 18, в котором первые четыре порта ввода, каждый, соединены с разными неперекрывающимися полосами частот, и вторые четыре порта ввода, каждый, соединены с одной из одинаковых четырех полос частот, или в котором первые четыре порта ввода через один соединены с двумя разными неперекрывающимися полосами частот, и вторые четыре порта ввода, каждый, соединены с двумя разными неперекрывающимися полосами частот, при этом две полосы частот для первого набора из четырех портов ввода отличаются от полос частот второго набора, или в котором пары смежных портов ввода соединены с полосами частот одинаковой частоты, причем каждая пара соединена с одной из четырех разных неперекрывающихся полос частот.

20. Многопортовый усилитель по п.19, в котором каждый порт вывода соединен с соответствующим облучателем антенны с одним облучателем для каждого луча, при этом многолучевая антенна формирует набор лучей с частотами в соответствии с определенной схемой многократного использования частоты.

21. Многопортовый усилитель по любому из пп.15-18, в котором усилители мощности являются сверхвысокочастотными усилителями мощности.