CN1159083A - 射频功率合成器 - Google Patents

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金英
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Abstract

射频功率合成器有：多个传输线，它的有多个输入端子和通过共用联接结点共同连接到输入端子的输出端子；联接在输出端子和共用联接点之间的第一个传输线特性阻抗；联接在共用联接点和输入端子之间的第二和第三传输线特性阻抗，并且与每个传输线特性阻抗相对应的波长为λ0/4(这里，λ0为中心频率信号的波长)；还有位于输入端子和第三传输线特性阻抗之间的多个RF开关，用以接通/关闭施加到输入端子的RF信号。

Description

射频功率合成器
本发明涉及数字无塞绳通信系统，更详细地说，涉及射频(RF)功率合成器，通过该合成器，在损失很小的情况下，可以增加按功率放大器的数量成正比地合成的输出功率。
涉及射频功率合成器的本申请，是以韩国申请为基础的，其申请号为37064/1995，本申请在所有方面引入该申请作参考。
关于微波原理和技术的IEEE会刊，1980年6月MTT-28卷第6号中的″平面电对称n路混和功率分配器/合成器″，介绍了传统的n路RF功率合成器。图1A和1B表示了众所周知的RF功率合成器，其中，图1A表示n路威尔逊式合成器的典型结构，图1B表示n路径向式合成器的典型结构(这里，n＝1，2，3，…n.)。前者合成器由四分之一波长(1/4λ0)的传输线和电阻R组成，后者合成器仅由从二分之一到四分之一波长(1/2λ0～1/4λ0)的传输线组成。
然而，根据图1A和1B所示的功率合成器，在将具有相同振幅和相位的n路功率信号源的信号合成在一起的过程中，如果n路信号中，有m路不能提供信号，那么输出功率将减少-20log(1-m/n)dB(这里，m＝0，1，2，…，n-1)。换言之，同m/n＝0/4时的情况相比，当m/n＝1/4；2/4；或3/4时，输出功率将下降2.5，6.0或-12dB。例如，在能将4(n)路信号合成在一起的传统4路RF功率合成器中，其合成特性如下表1所示，其中每路功率强度为1瓦。
表1
输入信号数(n) 故障信号数(n) 合成前输入信号功率之和(瓦) 合成后功率(瓦)     损失(％)
    4     0     4     4     0
    4     1     3     2.25     35
    4     2     2     1     50
    4     3     1     0.25     75
如表1所示，只有当故障信号数m为零时，合成前的输入信号的功率之和，才与合成信号的功率相同。然而，随着故障信号数m的增加，输入/输出功率之差，也就是功率损失，也提高了。
为了通过将几个低输出RF功率放大器组合在一起，来获得将RF功率合成器变换成高功率RF功率放大器的功能，需有以下限制。就是说，当合成功率时要求有少量功率损失时，就必须使故障信号数m小。
图2表示的是，使用RF功率合成器的高功率RF放大器的应用电路，该电路包括许多RF放大器。在制造用以按其数量的比例产生输出功率的高功率RF放大器的时候，也就是，假定一个低功率RF放大器的输出功率为A，当其数量为1，2，…，n，时，放大器能产生A瓦，2A瓦，…，nA瓦，如果接入的放大器数量很少，功率放大器的效率将较低。
因此，提供RF功率合成器是本发明的目的，即使在合成的输出功率按功率放大器的数量成正比地提高的情况下，该合成器的损失也非常小。
提供适用于高功率RF放大器的功率合成器，是本发明的另一目的。
为了达到本发明上述目的，射频功率合成器需有：多个传输线，该传输线有多个输入端子和输出端子，该输出端子通过共用联接结点与输入端子相连接；联接在输出端子和共用联接结点之间的第一个传输线特性阻抗；联接在共用联接结点和输入端子之间的第二个和第三个传输线特性阻抗，并且与每个传输线特性阻抗相一致，其波长为λ0/4(这里，λ0为中心频率信号的波长)，该合成器还有位于输入端子和第三传输线特性阻抗之间的多个RF开关，用以接通/关闭施加到输入端子的RF信号。
参考下面详细的介绍及其附图，将很容易地了解本发明的这些及各种其它的特性和优点，其中：
图1A和1B表示了传统的功率合成器；
图2是使用RF功率合成器的高功率RF放大器的应用电路图；
图3表示了根据本发明的功率合成器；
图4表示了根据本发明的功率合成器的具体实施例；
图5是用于测试图4所示的功率合成器的测试装置方框图；并且
图6A到6D表示了功率合成器的测试结果。
参照附图，下文中将介绍本发明的最佳实施例。
参考图3，根据本发明的功率合成器包括具有特性阻抗Z1，Z2和Z3的传输线，以及用来开通或关闭RF信号的RF开关SW1到SWn。
现在将介绍电路操作原理。
(1)RF开关SW1到SWn中，只有一个开关接通而其余开关断开的情况下：
首先，由结点I看来，因为与断开开关相联接的各个Z3+Z2传输线是开路的二分之一波长的传输线(在中心频率上)，所以它们是开路的。因此，在结点I上，信号被完全地反射了，也就是，信号没被传输过去，也就避免了损失。
其次，在有接通的开关SWi的通路上，通过RF信号传输通路，从输入端(i)输入的信号，被传输到输出端口(o)，就是从i-SWi-Z3-Z2-Z1-o。
(2)RF开关SW1到SWn中，至少有两个开关接通而其余开关皆断开的情况下：
首先，由于结点I看来，因为与断开开关相联接的各个Z3+Z2传输线是开路的二分之一波长的传输线(在中心频率上)，所以它们是开路的。因此，在结点I上，信号被完全地反射了，也就是，信号没被传输过去，也就避免了信号的损失。
其次，在有接通的开关的通路上，通过各自的传输线Z3+Z2和Z1，信号被传输到输出端口。此时，传输到各自的输入端子的RF信号，应被调整到使它们在振幅和相位上彼此完全相同。虽然输入的RF信号的振幅和相位彼此完全相同，然而它们阻抗是不定的，因此改善了输入端子之间的隔绝性。因为合成的功率只被传输到输出端口，所以可以避免额外的功率损失。考虑到输入信号数n，特性阻抗Z1，Z2和Z3必须选择适当的值。但是，应满足Z2≥Z3＞Z1的要求。
图4表示了符合本发明的功率合成器的具体实施例，其构成条件如下：
(1)输入端口数n＝4
(2)中心频率fo＝880MHz
(3)操作频率范围为880MHz+-50MHz
(4)输入信号的振幅和相位都相同。
下表表示了由上面介绍的条件构成的电路的不变值。
    电路元件     特性阻抗     波长(1)
    Z1     43.3Ω     λ0/4
    Z2     67.7Ω     λ0/4
    Z3     55.4Ω     λ0/4
这里，λ0是880MHz频率信号的波长。
通过使用图5所示的测试装置，可以测量按上面介绍的条件构成的功率合成器的输出功率。测试装置包括10dB衰减器50，4路分路器52，6dB衰减器54，RF功率合成器56和网络分析仪58。网络分析仪58施加适用于输出端口的信号，接收传输到输入端口IN的被测信号的结果，并分析信号。此时，分析将掌握信号合成和合成信号的损失的实行性，并将分析内容显示出来。通过使用10dB衰减器50和6dB衰减器54，可以避免传输线阻抗不匹配，该传输线阻抗去除了测量误差。
现在将介绍模拟和测量结果。
在输入信号的功率基础上，功率将根据输入信号数呈线性增长，就是说，根据1，2，3和4路输入信号，功率将分别增长0dB，3dB(两倍)，4.8dB(三倍)和6dB(四倍)。换言之，符合本发明的实施例的模拟的电路特性如下所示：
表2
  输入信号数 合成增益(以一个输入信号为基础)
    830MHz     880MHz     930MHz
    1     -0.595dB     -0.505dB     -0.595dB
    2     +2.949dB     +3.0dB     +2.949dB
    3     +4.584dB     +4.590dB     +4.584dB
    4     +5.483dB     +5.482dB     +5.483dB
根据上表2所示的模拟结果，在880MHz中心频率下，当信号数分别为1，2，3和4时，功率将被合成为-0.5dB(0.89倍)，3.0dB(2.0倍)，4.6dB(2.88倍)和5.5dB(3.55倍)。并且，在±50MHz的频宽内，频率平坦度将保持在0.1dB内。
图6A到6D显示了，由微波带状线和RF开关组成的实验电路的测试结果，其中，微波带状线使用了聚四氟乙烯基板，而RF开关则是美国K&L公司生产的(例如，MMS-12-F-PC)。图6A表示了，RF功率合成器56只有一个输入信号的情况下的测试结果，图6B表示了，RF功率合成器56有两个输入信号的情况下的测试结果，图6C表示了，RF功率合成器56有三个输入信号的情况下的测试结果，图6D表示了，RF功率合成器56有四个输入信号的情况下的测试结果。
关于图6A到6D，在中心频率上，根据它们的信号数1，2，3和4，各自的信号增益将分别测得为-0.5dB(0.87倍)，2.87dB(1.93倍)，4.45dB(2.79倍)和5.40dB(3.47倍)。在围绕880MHz的±50MHz的频带内，频率平坦度将保持在0.1dB或更小的范围内。
根据模拟结果，将把符合本发明的功率合成器的特性，与传统的功率合成器的相比较。首先，前者的条件如下：
(1)输入端口数n＝4
(2)故障输入信号数为m
(3)输入信号功率：每个为1瓦(W)，总共为4瓦
(4)输入信号的振幅和相位都相同。
下表3表示了使用本发明的电路的合成功率的特性。
表3
输入信号数(n) 故障信号数(n) 合成前输入信号功率之和(瓦) 合成后功率(瓦)     损失(％)
    4     0     4     3.55     11
    4     1     3     2.88     4
    4     2     2     2     0
    4     3     1     0.89     11
与表示传统功率合成器的表1相比较，通过表3可以清楚地知道，在本发明的电路中，合成功率与实际的输入信号数(n-m)成正比，也就是，具有很好的线性特性。
本发明的功率合成器适用于功率分配器和RF功率放大器。也就是，通过将本发明的功率合成器的输出端子，变换成功率分配器的输入端子，并将功率合成器的输入端子，变换成功率分配器的输出端子，功率合成器就可以被用作功率分配器。于是，功率分配器可以减少由于传输线的故障造成的RF功率损失(如表1所示)。另外，具体体现各自的RF功率放大器是可能的，该放大器每个都有输入端子，输出端子，位于输入/输出端子之间的RF开关，以及能满足Z2≥Z3＞Z1的条件的传输线。因此，将可以减少由于RF功率放大器的故障造成的RF功率的损失。于是，根据本发明的最佳实施例的功率合成器，将能适用于，可以有各种修改和变化的功率分配器和RF功率放大器。当将本发明的功率合成器应用到功率分配器和RF功率放大器的情况下，将可减少由于故障信号线造成的功率损失，以致导致了总的RF功率的增加。
如上所述，根据本发明的功率合成器，在损失很小的情况下，将增加按功率放大器的数量成正比合成的输出功率。
因此，应该清楚，本发明并不局限于这里介绍的作为实现本发明最佳方式的具体实施例，也就是说，除了如所附权利要求书中所限定的，本发明并不局限于本说明书中介绍的最佳实施例。

Claims (10)

1.射频功率合成器包括：
具有多个输入端子和输出端子的多个传输线，通过共用联接结点，该输出端子与所述多个输入端子共同相联接；联接在所述输出端子和所述共同结点之间的第一传输线特性阻抗；联接在所述共用联接结点和所述输入端子之间的第二和第三传输线特性阻抗，并且与每个所述传输线特性阻抗相符合的传输线的长波为λ0/4(这里，λ0为中心频率信号的波长)；并且
位于所述输入端子和所述第三传输线特性阻抗之间的多个RF开关，用以接通/关闭施加到所述输入端子的RF信号。
2.根据权利1的射频功率合成器，其特征在于所述第一，第二和第三特性阻抗满足Z2≥Z3＞Z1的条件。
3.根据权利2的射频功率合成器，其特征在于所述第一特性阻抗等于43.3Ω，所述第二特性阻抗等于67.7Ω，所述第三特性阻抗等于55.4Ω。
4.根据权利2的射频功率合成器，其特征在于通过将所述射频功率合成器的所述输出端子，变换成所述功率分配器的输入端子，并将所述射频功率合成器的所述输入端子，变换成所述功率分配器的输出端子，所述功率合成器就被应用于功率分配器。
5.根据权利2的射频功率合成器，其特征在于所述射频功率合成器被应用于射频功率放大器，以致该功率合成器每个都有输入端子，输出端子，RF开关，以及能满足所述第二传输线特性阻抗≥所述第三的＞所述第一个传输线特性阻抗的条件的传输线。
6.射频功率合成器包括：
传输线，其有第一到第四输入端子和输出端子，该输出端子通过共用联接结点与所述第一到第四输入端子共同相连；联接在所述输出端子和所述共同结点之间的第一传输线特性阻抗；联接在所述共用联接结点和所述输入端子之间的第二和第三传输线特性阻抗，并且与每个所述传输线特性阻抗相符合的传输线的波长为λ0/4(这里，λ0为中心频率信号的波长)；并且
位于所述第一到第四输入端子和所述第三传输线特性阻抗之间的第一到第四RF开关，用以接通/关闭施加到所述输入端子的RF信号。
7.根据权利6的射频功率合成器，其特征在于所述第一，第二和第三特性阻抗满足Z2≥Z3＞Z1的条件。
8.根据权利7的射频功率合成器，其特征在于所述第一特性阻抗等于43.3Ω，所述第二特性阻抗等于67.7Ω，所述第三特性阻抗等于55.4Ω。
9.根据权利7的射频功率合成器，其特征在于，根据通过所述RF开关选择的信号的数量，功率将被合成为-0.5dB(0.89倍)，3.0dB(2.0倍)，4.6dB(2.88倍)和5.5dB(3.55倍)。
10.根据权利7的射频功率合成器，其特征在于，在所述RF信号的中心频率±50MHz的频宽内，频率平坦度将保持在0.1dB或更小的范围内。
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