專利名稱：調(diào)諧多端口放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及調(diào)諧多端口放大器(MPA)，具體涉及調(diào)整MPA中各 個放大器之間的相位和增益關(guān)系，以優(yōu)化MPA的輸出端口之間的信 號隔離。
背景技術(shù)：
MPA是公知的功率放大器設(shè)備，用于可在1 GHz以上的微波頻率 處操作的衛(wèi)星通信，并覆蓋具有1.5-2.6 GHz范圍內(nèi)的頻率的L和S 頻帶以及具有12-20GHz區(qū)域內(nèi)的頻率的Ku和Ka頻帶等。
MPA包括并聯(lián)的N個類似的放大器單元(TWT或固態(tài))，每個具 有功率P，使得每個放大器對每個輸入信號進行放大，以將每個輸出 信號的功率增大因子N，達到PXN。提供了 N個輸入端口和N個輸 出端口，從而將一個輸入端口上的輸入信號路由至相對應(yīng)的輸出端口。 輸入端口由低功率輸入網(wǎng)絡(luò)(INET)連接至放大器單元，可以使用適 合于環(huán)境的任何便利的傳輸線技術(shù)(例如微帶、帶線、同軸電纜或波 導(dǎo))來實現(xiàn)INET，并且輸出端口由高功率輸出網(wǎng)絡(luò)(ONET)連接至 放大器單元，典型地，使用低損耗傳輸線技術(shù)來實現(xiàn)ONET。在數(shù)學(xué) 上，ONET是INET的互逆網(wǎng)絡(luò)，從而將呈現(xiàn)給第n個輸入的信號引 導(dǎo)至第n個輸出。每個網(wǎng)絡(luò)包括信號分割波導(dǎo)設(shè)備的陣列。僅包括混 合設(shè)備的Butler矩陣或網(wǎng)絡(luò)通常用于信號分割，這是由于其具有便利 的增益和相移屬性。 一種混合設(shè)備是4端口信號分割設(shè)備，包括兩個 輸入和兩個輸出，具有選擇性的90°相移；可以利用該相位差來改進 網(wǎng)絡(luò)的隔離特性。然而，可以使用可具有180°相位差的其他混合設(shè) 備和其他信號分裂設(shè)備。
具體地，本發(fā)明關(guān)于可在操作于Ku或Ka頻帶處的寬帶多波束有 效載荷中使用的8端口 MPA來討論。典型地，這些使用每束單饋(SFB,Single Feed per Beam)設(shè)計，SFB設(shè)計在所限定的區(qū)域上提供至多100 個或更多的窄波束的鄰接集合。MPA是SFB的一種有吸引力的方案， 這是由于其潛在地提供了在向波束分配功率方面的高度靈活性。MPA 已經(jīng)成功應(yīng)用在L和S頻帶，但是在波長短一個數(shù)量級的Ku和Ka 頻帶處遇到極具挑戰(zhàn)性的問題。我們研究了失配對MPA性能的影響， 并標(biāo)識了可借以減輕這些影響的特征(尤其與隔離相關(guān))。
一段時間以來，已經(jīng)考慮將MPA用于多波束衛(wèi)星有效載荷，見 S. Egami and M. Kawai， "An Adaptive Multiple Beam System Concept" IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. SAC5， No,4， May 1987。MPA已經(jīng)成功用在L頻帶，見M. Mallison, R. Gill， S. Curtis, R. Manku, "Advanced Payload for Multibeam Satellites that Support High Data Rate Broadband Global Area Network", AIAA， 23rd International Communications Satellite Systems Conference, Rome, Sept 2005;以及S頻帶，見M. Tanaka and K. Yamamoto, "New Technologies in N-STAR Communications Payload", AIAA 17th International Communications Satellite Systems Conference, Yokohama, Feb. 1998，主 要針對移動服務(wù)。
更近以來，隨著對提供寬帶服務(wù)(如經(jīng)由多波束衛(wèi)星的因特網(wǎng)訪 問禾口HDTV)的興趣持續(xù)增長，已經(jīng)將注意力集中到在Kn和Ka頻帶 處提供MPA，見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 20th International Communications Satellite Systems Conference, Montreal, May 2002以及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 Opereation，，, 6 International Vacuum Electronics Conference, Noordwijk， Netherlands, April, 2005。
最高效的多波束有效載荷是每束單饋(SFB)架構(gòu)，SFB架構(gòu)典型地使用3或4根天線來產(chǎn)生鄰接波束的規(guī)則集合。這些波束采用高
度頻率重用，例如使用4頻率"顏色"重用方案。SFB的本質(zhì)缺點是 缺乏靈活性，尤其在對波束的功率分配方面。MPA的應(yīng)用將提高這種
靈活性，通過使容量(傳輸功率)能夠動態(tài)跟隨覆蓋區(qū)上的需求變化 來顯著增強該架構(gòu)的實用性。在向每個波束提供功率以及帶寬的靈活 分配以確保在每種情況下最優(yōu)的鏈路參數(shù)的、寬帶的可變帶寬應(yīng)答器
中，可以使用MPA。可以使用模擬或數(shù)字信號處理來提供可變帶寬。 本質(zhì)上，MPA包括輸入Butler矩陣，或僅由具有2" (N=l， 2，... 等)個信號輸入的混合設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，并向相同數(shù)目(2N)的放大 器均等地提供對這些輸入中每一個的接入。放大器的輸出被饋送至另 一 Butler矩陣或混合設(shè)備集合，該另一 Butler矩陣或混合設(shè)備集合對 輸入網(wǎng)絡(luò)的配置進行鏡像，并將放大器輸出重新組合為相同的但放大 了的原始信號集合。MPA的極大優(yōu)點在于向每個放大器均等地提供對 每個輸入端口的接入，可用于每個端口的可接入功率為2NXP，其中 P是每個單個放大器的功率。因此，MPA實現(xiàn)了高度靈活性，提供了 可在2W個輸入之間動態(tài)地且以高度靈活的方式共享的多種輸出功率。 在Ku和Ka頻帶提供MPA的本質(zhì)問題是在所涉及的頻率(Ku 頻帶12GHz， Ka頻帶20GHz)處放大器與其他單元之間的相位和幅 度跟蹤，以及這種跟蹤對端口間的隔離性能的影響(所謂的串?dāng)_問題)。 詳細研究了幅度/相位失配對MPA性能的影響，并且已經(jīng)找到了 一種設(shè)計特征/設(shè)置，通過這種設(shè)計特征/設(shè)置，可以減小失配影響(尤 其與隔離相關(guān))。公式和信號流圖示意了針對多波束有效載荷可以如何 優(yōu)化MPA，提供了相同波束"顏色"的端口之間的最佳隔離。具體地， 參照使用僅包括混合設(shè)備的INET和ONET的、具有8個端口的MPA 來進行分析，這是通常最感興趣的配置。然而，由于MPA的對稱性 質(zhì)及其可縮放性， 一般地，分析的基礎(chǔ)可適用于任何階數(shù)以及實現(xiàn)
Butler矩陣INET/ONET的方案。當(dāng)前，4禾Q 8端口 MPA正在投入使 用。盡管MPA越復(fù)雜，本發(fā)明越有價值，但由于設(shè)計復(fù)雜度，具有 多于16個端口的MPA可能是不利的。
8

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種調(diào)諧多端口放大器的方法， 所述多端口放大器包括并聯(lián)布置的偶數(shù)個功率放大器，每個放大器 與另一放大器配對； 一系列輸入端口和一系列輸出端口，所述輸入端
口由信號分割網(wǎng)絡(luò)連接至所述放大器，所述輸出端口由信號組合網(wǎng)絡(luò) 連接至所述放大器，使得任何給定輸入端口處的輸入信號由所有放大 器放大，然后，放大后的輸入信號被重新組合為給定輸出端口處的輸
出信號，所述方法包括以下步驟將每個放大器的信號相位和增益與 其配對放大器的信號相位和增益進行匹配至比非配對放大器之間的所 述匹配更嚴格的程度。
在用于衛(wèi)星上和用于其他通信用途的情況下，功率放大器通常將 是微波功率放大器。
傳統(tǒng)調(diào)諧包括將所有放大器進行匹配至相同精度，并且是一種迭 代過程，該迭代過程涉及每個放大器的增益和相位調(diào)整，直到在針對 給定輸入端口的所有輸出端口處實現(xiàn)相同的所需隔離。在每次迭代中， 這包括在依次對每個輸入端口進行激勵的情況下，測量所有輸出端 口處的相位和增益值(即，對于8端口MPA，在每次迭代中總計進行
2X8X8次測量(相位和增益))。此外，調(diào)諧可以有多個階段，例如 確保在環(huán)境溫度、熱溫度和冷溫度下的所需性能。因此，導(dǎo)致一些端 口處隔離要求降低以及放大器調(diào)諧相應(yīng)減少的、MPA的任何配置將提 供時間和成本的顯著節(jié)約。
已經(jīng)估計出，對于本發(fā)明的方法，如果其僅需要放大器和混合設(shè) 備的部分匹配，則實際上很可能在調(diào)諧上高出20-30%的時間效率。
優(yōu)選地，所述將每個放大器與其配對放大器進行匹配的步驟是通 過對相鄰配對的放大器進行相互匹配來執(zhí)行的。
優(yōu)選地，這些HPA對中的每一個與其關(guān)聯(lián)混合設(shè)備集成在一起， 作為自含式單元，并且優(yōu)選地對于每個單元具有公共的電源。
信號分割網(wǎng)絡(luò)和信號組合網(wǎng)絡(luò)均可以包括一系列相應(yīng)的信號分割 混合設(shè)備和信號組合混合設(shè)備，并且，所述對相鄰配對的放大器進行 相互匹配的步驟還包括對與每個所述放大器對最密切相關(guān)的相應(yīng)輸入混合設(shè)備和輸出混合設(shè)備的信號相位和插入損耗進行匹配。
在每個放大器對是相鄰放大器對的情況下，該放大器對和與其最 密切相關(guān)的相應(yīng)輸入混合設(shè)備和輸出混合設(shè)備可以包括具有公共電源 的自含式組件。
所述將每個放大器與其配對放大器進行匹配的步驟可以是通過對 交替配對的放大器進行匹配來執(zhí)行的。在這種情況下，所述對交替配 對的放大器進行匹配的步驟還可以包括對與每個配對放大器最密切 相關(guān)和其次密切相關(guān)的相應(yīng)輸入混合設(shè)備和輸出混合設(shè)備的信號相位 和插入損耗進行匹配。
將每個放大器與其配對放大器進行匹配還可以是通過對每第4個 位置配對的放大器進行匹配來執(zhí)行的。當(dāng)執(zhí)行該步驟時，如果信號分 割網(wǎng)絡(luò)和信號組合網(wǎng)絡(luò)分別包括一系列相應(yīng)的信號分割混合設(shè)備和信 號組合混合設(shè)備，則對配對放大器進行匹配的步驟還可以包括對與 每個配對放大器最密切相關(guān)、第二密切相關(guān)和第三密切相關(guān)的相應(yīng)輸 入混合設(shè)備和輸出混合設(shè)備的信號相位和插入損耗進行匹配。
將每個放大器的信號相位和增益與其配對放大器的信號相位和增 益進行匹配的步驟可以被執(zhí)行為實質(zhì)上在10至15度的信號相位和1.0
至2dB的增益之內(nèi)，更嚴格地，實質(zhì)上在7至10度的信號相位和0.7 至1.0dB的增益之內(nèi)，又更嚴格地，實質(zhì)上在5至7度的信號相位和 0.5至0.7 dB的增益之內(nèi)。如果在特定情況下需要甚至更好的匹配， 則可以獲得實質(zhì)上在小于5度的信號相位和小于0.5 dB的增益之內(nèi)的 匹配?？梢哉J識到，這將比獲得前3個范圍的更寬松匹配更加耗時， 但是，在所有情況下，僅將配對放大器匹配至更窄的范圍，而在許多 情況下，非配對放大器可能根本不需要從其出廠狀態(tài)進行任何調(diào)整。 因此，對所述非配對放大器進行匹配的步驟可以進行為實質(zhì)上在15 至20度的信號相位和1.5至2.5 dB的增益之間。
所有混合設(shè)備可以匹配至至少實質(zhì)上IO度的信號相位和1 dB的 插入損耗。
混合設(shè)備輸出端口之間與90度相位差的偏差可以被設(shè)置為至少 實質(zhì)上5度，混合設(shè)備輸入和輸出端口之間的插入損耗跟蹤可以被設(shè)置為至少實質(zhì)上0.3 dB。
相鄰放大器對中每個放大器之間匹配至至少10度的信號相位和
l.OdB，將為以四頻率顏色重用進行操作的SFB架構(gòu)提供最小24dB的 隔離。如果達到至少7度的信號相位和0.7dB，則將為相同架構(gòu)提供 26dB的隔離，其中有2dB余量以抵御老化和熱變化。匹配至比這更 窄的程度，例如匹配至至少5度的信號相位和0.5dB，則在例如以四 顏色重用且以功率明顯不同的載波進行操作的SFB架構(gòu)中可以是優(yōu) 選的。但是其實現(xiàn)當(dāng)然將會更加困難，并因此更加昂貴。
在非相鄰HPA之間也需要良好匹配，以確保不同顏色的端口之間 可接受的隔離以及可接受的組合效率，但是不需要匹配至與相同顏色 的端口之間的隔離相同的程度。示出了提供隔離估計和組合效率的處 理過的示例。這些是通過MPA仿真來確認的。
可以應(yīng)用交替配對的放大器的匹配(對于具有24個端口的MPA)、 每第4個放大器的匹配(對于具有28個端口的MPA)或每第8個放 大器的匹配(對于具有216個端口的MPA)等等。這種匹配仍將匹配 至比非配對放大器之間的匹配更嚴格的程度。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種多端口放大器，包括并聯(lián) 布置的偶數(shù)個功率放大器，每個放大器與另一放大器配對； 一系列輸 入端口和一系列輸出端口，所述輸入端口由信號分割網(wǎng)絡(luò)連接至所述 放大器，所述輸出端口由信號組合網(wǎng)絡(luò)連接至所述放大器，使得任何 給定輸入端口處的輸入信號由所有放大器單元放大，然后，放大后的 輸入信號被重新組合為給定輸出端口處的輸出信號，所述多端口放大 器是根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法來調(diào)諧的。
信號分割網(wǎng)絡(luò)和信號組合網(wǎng)絡(luò)可以均包括8X8 Butler矩陣。
備選地，信號分割網(wǎng)絡(luò)可以包括一系列信號分割混合設(shè)備，而信 號組合網(wǎng)絡(luò)包括一系列信號組合混合設(shè)備。
多端口放大器可以包括8個端口，信號分割網(wǎng)絡(luò)和信號組合網(wǎng)絡(luò) 可以均包括與Butler矩陣等效的3列混合設(shè)備，而沒有混合設(shè)備間的 相移器。前4個輸入端口可以分別連接至不同的非重疊頻帶，而后4 個輸入端口分別連接至相同的4個頻帶之一。在備選實施例中，前4個輸入端口交替連接至兩個不同的非重疊 頻帶，后4個輸入端口分別連接至兩個不同的非重疊頻帶，其中用于
第一組4個輸入端口的兩個頻帶與用于第二組的兩個頻帶不同。
在另一備選實施例中，成對的相鄰輸入端口連接至相同頻率的頻
帶，其中每一對連接至4個不同非重疊頻帶之一。
每個輸出端口可以連接至每束單饋的多波束天線的相應(yīng)天線饋 線，從而形成波束集合，所述波束集合具有根據(jù)所限定的頻率重用模 式的頻率。
這里示出的隔離分析在多波束頻率重用方案中實現(xiàn)了針對最優(yōu)隔
離的輸出端口選擇，并且，IM分析有助于將頻率分配至輸入端口以實 現(xiàn)最小IM干擾。


現(xiàn)在將參照附圖通過示例來描述本發(fā)明，附圖中
圖1是使用完全由混合設(shè)備而不是Butler矩陣進行構(gòu)造的INET 和ONET的、實現(xiàn)了混合設(shè)備和相移器的8端口 MPA的示意圖2是如本發(fā)明中所使用的混合設(shè)備的示意圖3是8端口 MPA中的信號流的圖，示出了匹配的相鄰放大器 對的零陷信號點；
圖4是MPA中的備選信號流的圖，示出了用于匹配交替的放大 器對的備選零陷信號點；
圖5是MPA中的備選信號流的圖，示出了用于匹配每第4個放 大器的備選零陷信號點；
圖6是用于匹配所有放大器的、MPA中的信號流的圖，示出了信 號的結(jié)構(gòu)性相加；
圖7是對在限定每個輸出處的隔離中至關(guān)重要的MPA設(shè)備進行 概括的表；以及
圖8是示出8端口 MPA的3載波3階互調(diào)產(chǎn)物的輸出端口的表。
具體實施方式
圖1示出了 8端口 mpa的圖。它包括每列由4個輸入混合設(shè)備組成
的一組3列、由8個放大器組成的單列、以及每列由4個輸出混合設(shè)備組 成的一組3列。
圖2給出了混合設(shè)備元件(輸入或輸出混合設(shè)備)的定義。輸入 信號和輸出信號p,和P2以及q,和q2假定為復(fù)數(shù)。因此，混合設(shè)備轉(zhuǎn)移函 數(shù)表示為
1、
(1)
其中Cn、 C12、 C21、 C22均為不可變的復(fù)系數(shù)，可以表示如下
Cn - r".exp陶，C12 =j-r12.expj.ei2, C21-j.r21.expj.821， C22 = r22.expj.e22
(2)
理想地，對于完美的混合設(shè)備，所有r-1/々2并且所有e-0，
并且轉(zhuǎn)移矩陣變?yōu)?br> (3)
對于實際的混合設(shè)備，r和e將與理想情況有偏差，并且如果偏差 較小d2/『<0.2dB，e<10e)，則可以進行以下近似
C" - (oAfe) (1 + +〗.e"), C12 = j(oAfe) (1+ cr12 + j.6i2) (4) c21 = j(a/々2) (1 + <j21 + j.e21),g22 - (oc/々2) (1 + <J22 + j.922) (5)
其中(x是所有輸入混合設(shè)備或輸出混合設(shè)備共有的損耗因子(在0.2dB 至0.7dB之間，取決于例如混合設(shè)備是否處在波導(dǎo)或同軸電纜中)，并 且cr和e分別是與名義值的幅度和相位偏差(對于幅度和相位，名義值 分別等于1.0和0。)。
為了進行分析，假定放大器是完美線性的，具有復(fù)增益a， a由
以下函數(shù)表示
a = g.expJ, 0 (6)
如上所述，理想地，在mpa應(yīng)答器中，所有放大器將是匹配的并
13具有相同的G和0值。然而，對于實際放大器，相對于某個均值增益
和相移值G。和0。，將分別有偏差A(yù)和S。對于較小的偏差(A<0.5dB，
S<10° )，增益函數(shù)可以寫為
A - G。.(1 + A + j.S).expj.0。 (7)
MPA的總轉(zhuǎn)移矩陣由以下給出
0-y',x',t'.A.y.x.t，或0-「,A.Q (8)
其中如圖l所定義的，t、 x和y是第一、第二和第三輸入混合設(shè)備列(具 有組合的總轉(zhuǎn)移函數(shù)Q)的轉(zhuǎn)移矩陣，t，、 x'和y'是相對應(yīng)的輸出混合
設(shè)備列(組合的總轉(zhuǎn)移函數(shù)r)的轉(zhuǎn)移矩陣。
以下示出了每一列輸入混合設(shè)備的矩陣表示?；旌显O(shè)備轉(zhuǎn)移系數(shù) 的字母下標(biāo)與圖l所示的混合設(shè)備字母標(biāo)記相對應(yīng)。
000000 、
hi八000000
00c0000
000000
0000Cue00
0000c加00
000000Cud
00000cG
000000 、
000000
000000
000000
00c加000
0c加0c加0000
000000
、o00000c加,
000000 、
000000
00Ci汰0000
000000
00000Ci比0
000000
00000C頭0c咖
、000000
(9)以下示出了輸出混合設(shè)備集合的矩陣表示:
<formula>formula see original document page 15</formula>(10)
對于理想
(11)給出
混合設(shè)備， 假定單位增益
即所有Cu， C22 二 1A/2并且所有
零相移放大器，則總轉(zhuǎn)移矩陣由等式
<formula>formula see original document page 15</formula>因此，q1=-j'p8, q2 = -j'p7 等等。
當(dāng)假定了Ch、 C22、 C12、 C2,和A的實際值時，(D的完整矩陣表示 在數(shù)學(xué)上變得難以處理。為了示意MPA轉(zhuǎn)移函數(shù)的具體屬性，以下示 出了對該矩陣中元素的選擇。所有這些都與I/P端口1相關(guān)，但是等式 的選擇所顯示的一般特性同樣適用于任何其他I/P端口。
C2iA.Ci2j.〖G"G.G"gJi^gi￡iyj=i^;jj￡Ji^g1￡g3js￡i2s) + C2lG.Ci2gi&iSliyiQlMJLi^SaiMifil^)
。2》
C 1 f ,C fi.(A3.C11 K.C" h ， A4,C21 K.Gl2b)1 + + C21G.C22g-(^2jQllMi￡lLt±-6s￡23M￡l2fl)I (13)
。51 = CnA.C1"i.〖C1iE'C"f,(A1.C"j.C2ia + A2.C2u.G22a) +
G21E'c12f.(A3.c11K-c21b + A4.C21K-C22b)+
C21A-C卦〖G"G-C1化.(A5.G1化,C2化+ A6.C2化.C22c) + C2iG-C12h.(A7.C麵.C2id + Aa.G2iM.C22d)] (14)
= CiiA'Ciim.[C"hE-C2if,(Ai.C"j.G2la + A2.G2ij.C22a〉 +
C21E.C22f.(A3.CilK-C2化+ A4.C2iK-C22t))+
C2i:A'Ci2m-GlK3.C2ilv(A6.G1化.C2化+
Ae-C2化,C22c》+ C2iG.C22h,(A7.CfiM.C2M + A8,C2iM.C22d)] (15)
①81 = CiiA-C2lm'[CltE.C21f.(/Vt.G"j.C2la + A2,C2!J.C22a) +
C2〗e'G22f,(A3.C1化.C2ib +/WC21K'C22fa)+
G2iA.C2加.C悄.C2ih-(A5.C1化.C'2化+ AS.C21L.G22c) + C21G.G22h.(A7-C濯.C21d + As,C21M.C22d)
(化)
Ou (等式12)表示在0/P端口l處出現(xiàn)的、1/P端口l處的信號電平， 051 (等式14)表示0/P端口4處的信號電平，等等。
對于理想系統(tǒng)，0 至071應(yīng)等于0 (完美隔離)，而0>81=-_)。然而， 實際組件產(chǎn)生端口之間的有限隔離。
對上述公式的觀察說明了以下內(nèi)容
$n、 0>41 (也適用于031和041，未示出)根據(jù)本發(fā)明，通過成對 的相鄰放大器(A"A2、 A3/A4……等)之間的匹配和最內(nèi)側(cè)混合設(shè)備J、 K、 L和M以及a、 b、 c和d的質(zhì)量(插入損耗差分以及0/P端口之間與 90°的偏差)將相應(yīng)0/P端口處的隔離摘定至一階近似。通過對等式12和13中相關(guān)因子加下劃線以及圖3中的信號流圖來示出該屬性。該流 圖示出，由于相鄰放大器及其關(guān)聯(lián)混合設(shè)備之間的匹配，在最內(nèi)側(cè)輸 出混合設(shè)備的0/P處(點S處)出現(xiàn)信號的自抵消?？梢詤⒄绽缇哂?端口P,處的信號輸入的放大器對A5/A6來解釋這種影響。在放大器A6
的情況下，從最接近的輸入混合設(shè)備(L)的輸入至最接近的輸出混
合設(shè)備(C)的輸出的相對相移將比經(jīng)由A5的相同端口之間的相移多出
180° 。該相位差是由放大器對的任一側(cè)的混合設(shè)備產(chǎn)生的兩個卯。偏
移所引入的，并產(chǎn)生所指示的抵消。因此，在這些情況下，中間和外 側(cè)混合設(shè)備的質(zhì)量對隔離沒有顯著影響。實際上，對于這些情況，為 了獲得最佳匹配并因此獲得最佳隔離，可以將放大器對和關(guān)聯(lián)的混合
設(shè)備(例如A5/A6與混合設(shè)備L和c)構(gòu)造為集成組件。
051 (也適用于061，未示出)。對于這些情況，本質(zhì)上，隔離由成 對的交替放大器(A,/A3、 A2/A4……等)之間的匹配以及最內(nèi)側(cè)和中 間混合設(shè)備集合的質(zhì)量和匹配來確定。圖4示出了相對應(yīng)的信號流圖。 這說明，在第一混合設(shè)備行的0/P處(在點S'處)出現(xiàn)信號的結(jié)構(gòu)性相 加，而在中間行的0/P處(S處)出現(xiàn)抵消。抵消仍可以通過由放大器 對的任一側(cè)的混合設(shè)備(在這種情況下是中間列中的混合設(shè)備)引入2 X90°相移差分來解釋。例如，在放大器對A2/A4的情況下，并且信號 應(yīng)用于輸入端口pl處，則相關(guān)混合設(shè)備是"E"和"f"。
071。在這種情況下，本質(zhì)上，隔離由每第4個放大器(A，/As、 A2/A6……等)之間的匹配以及最內(nèi)側(cè)、中間和最外側(cè)混合設(shè)備集合
(即，MPA中的所有組件)的質(zhì)量和匹配來確定。如圖5所示，在最 外側(cè)混合設(shè)備的0/P處(點S處)出現(xiàn)這種情況下的信號抵消。在這種 情況下，最外側(cè)的混合設(shè)備列引入了2X90。的相移。例如，在放大器 對A2/A6的情況下，并且信號應(yīng)用于輸入端口pl處，則相關(guān)混合設(shè)備是
"A"禾卩"m"o
081。這與想要的輸出相關(guān)聯(lián)，并表示組合損耗。這取決于所有單 元之間的匹配，但是沒有達到與針對隔離相同的關(guān)鍵程度。在這種情 況下，如圖6所示，在整個輸出網(wǎng)絡(luò)(在點S'處)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性相加。
圖7中給出了對在限定每個0/P處的隔離中至關(guān)重要的MPA設(shè)備的概括。對于每個0/P端口，這標(biāo)識了應(yīng)當(dāng)匹配的那些設(shè)備，以便實 現(xiàn)與對應(yīng)的I/P端口處的信號的良好隔離。以下要點適用于該表
-X:匹配的相鄰放大器(A，/A2、 A3/A4……)以及匹配的關(guān)聯(lián)最 內(nèi)側(cè)混合設(shè)備；
-Y:匹配的交替放大器(A,/A3、 A2/A4……)以及匹配的最內(nèi)側(cè)
和中間混合設(shè)備集合；
-Z:匹配的每第4個放大器(A,/A5、 A2/A6……)以及匹配的最
內(nèi)側(cè)、中間和最外側(cè)混合設(shè)備集合。
圖7中的條目"OP"標(biāo)記了與給定I/P端口相對應(yīng)的想要的0/P端□。
這里將隔離定義為在給定輸出端口處想要的信號插入損耗與不 想要的信號插入損耗(包括任何組合損耗)之比，并且使用總MPA轉(zhuǎn)
移矩陣O將隔離定義為
(17)
其中m和n分別是干擾信號和想要的信號的輸入端口。 (N-n+l)是想要 的信號的輸出端口， N是輸出端口總數(shù)或MPA階數(shù)(在本情況中為8)， 并且考慮了I/P和0/P端口編號之間的換位。
如等式(17)中所定義的，通過取相關(guān)矩陣元素0《N""+I》,m和 0(NH^),r的模數(shù)平方的比值，在各個混合設(shè)備和放大器性能參數(shù)的方
面，可以獲得隔離的精確表達式。
然而，以下所示的公式基于性能參數(shù)的rms值，并產(chǎn)生隔離的均
值。這里使用的項包括混合設(shè)備的不完美性。
如果如等式(7)中分別由A和5來表示放大器的增益和相位關(guān)于 均值的偏差，并且如等式(4)和(5)中由a和e來表示混合設(shè)備偏差，
則假定
l>' = o,i^-0' t巧-o， |>'=0 (化)
/ 1 W
其中N是放大器數(shù)目，等于MPA輸入或輸出端口的數(shù)目，并且lv^混合 設(shè)備數(shù)目-Nlog2N。然后，△、 S等的均值定義如下
18<formula>formula see original document page 19</formula>
(19)
對于從等式(12)至等式(16)的一階近似，可以示出，8端口
MPA的均值隔離以分貝給出如下
lso - 10 Log /(8 -7f2)} dB (20)
其中S是放大器和混合設(shè)備幅度/相位偏差的rms和。該和中包括的因
子取決于針對給定I/P端口考慮哪個0/P瑞口。這些因子可以參照圖7來
標(biāo)識，如下
由X表示的情況
<formula>formula see original document page 19</formula> (21)
Z^^t分別是配對的相鄰放大器(A"A2、 A3/A4……等)之間的 rms幅度和相位失配，二j。與最內(nèi)側(cè)混合設(shè)備集合的質(zhì)量(即，給定混 合設(shè)備的0/P端口之間的均值插入損耗差分，以及其輸出端口之間與 卯°的偏差)相對應(yīng)。
由Y表示的情況
<formula>formula see original document page 19</formula>
(22)
其中A。,'和5^分別是交替的放大器(A,/A3、A2/A4……等)之間的rms
幅度和相位失配，^一和^鄉(xiāng)分別是最內(nèi)側(cè)集合中相鄰混合設(shè)備之間的
rms插入損耗和相位失配，S^和^與中間混合設(shè)備集合的質(zhì)量(即，
給定混合設(shè)備的0/P端口之間的均值插入損耗差分，以及其輸出端口 之間與90°的偏差)相對應(yīng)。 由Z表示的情況
其中SF和gp分別是每第4個放大器(A"As、 A2/A6……等)之間的rms幅度和相位失配，cr^和A&分別是最內(nèi)側(cè)集合中交替的混合設(shè)備之
間的rms插入損耗和相位失配，^一和0耐分別是中間集合中相鄰混合 設(shè)備之間的rms插入損耗和相位失配，；和0。與最外側(cè)混合設(shè)備集合
的質(zhì)量(即，給定混合設(shè)備的o/p端口之間的均值插入損耗差分，以
及其輸出端口之間與90。的偏差)相對應(yīng)。
在上述等式中，相位和幅度失配不是表示為各個設(shè)備的偏差，而 是表示為設(shè)備之間的差分。
MPA的組合損耗(不包括歐姆損耗在內(nèi)的插入損耗)的一階近似
可以示為
作為應(yīng)用于成對的相鄰放大器的匹配的示例(其中與非配對放大 器的匹配較不嚴格)，假定以下為實際設(shè)備性能 配對的相鄰放大器之間的匹配0.7dB和5。； 非配對放大器之間的匹配2dB和15。；
混合設(shè)備的質(zhì)量0/P端口之間0.3dB差分，與90。偏差5。；
不同混合設(shè)備之間的匹配ldB和10。。 如圖7所示，針對X、 Y和Z的3種情況，導(dǎo)出以下均值隔離 X: 27dB， Y: 18dB， Z: 17dB， 組合損耗0.30dB 因此，對于配對的相鄰放大器更好匹配的情況(圖7中由X表示的 情況)，獲得了約10dB的改進。因此，配對的相鄰放大器與其關(guān)聯(lián)最 內(nèi)側(cè)混合設(shè)備一起可以有利地封裝為集成組件。在這種情況下，組件 中的每一對將被有利地布置為利用公共電源。組件內(nèi)的兩個放大器使 用公共電源增強了該組件固有的跟蹤性能。這對行波管放大器尤其有 利，對于行波管放大器，相位跟蹤至關(guān)重要地取決于放大器之間的電 源匹配。
這種布置可以提供使用端口1至4的信號之間的最佳隔離和使用 端口5至8的信號之間的最佳隔離。因此，在多波束頻率重用方案中，如果例如在4顏色重用方案中，波束頻率F1僅在端口1至4的集合中使
用一次，并在端口5至8中重復(fù)一次，則可以實現(xiàn)最佳隔離。因此，這
種配置下的8端口MPA將理想地適于F1、 F2、 F3和F4分配給端口1至4
并在端口5至8中重復(fù)的4顏色重用方案。
不太關(guān)鍵地取決于跟蹤性能的性能包括不同頻率或"顏色"的輸
出端口之間的隔離以及MPA組合損耗。因此，不同自含式(self-contained)組件(或用于行波管放大器的相位組合后的管"PCT")的放大器之間的跟蹤要求可以放松，從而導(dǎo)致MPA設(shè)置和測
試時間減小。
參照圖7，可以斷定，通過對成對的交替放大器進行匹配(其中非配對放大器之間的匹配較不嚴格)，這種配置也適于F1應(yīng)用于端口1和3、 F2應(yīng)用于端口2和4、 F3應(yīng)用于端口5和7、 F4應(yīng)用于端口6和8的4顏色重用方案。類似地，通過對每第4個放大器進行匹配，這種配置同樣適于F1應(yīng)用于端口1和2、 F2應(yīng)用于端口3和4、 F3應(yīng)用于端口5和6、F4應(yīng)用于端口7和8的4顏色重用方案。然而，在這些情況下，失去了配對的相鄰放大器所具有的、能夠?qū)⒎糯笃髋c關(guān)聯(lián)最內(nèi)側(cè)混合設(shè)備集成為自含式組件的優(yōu)點。此外，在這些情況下，更多混合設(shè)備單元被帶入定義隔離的等式(等式22和23)中。因此，假定與配對的相鄰放大器的情況相同的設(shè)備性能，但是現(xiàn)在在交替的放大器之間進行配對，則均值隔離現(xiàn)在變?yōu)?br> X: 20dB， Y: 21dB， Z: 17dB， 組合損耗0.34dB對于對每第4個放大器進行匹配的情況，結(jié)果為X: 20dB， Y: 18dB， Z: 20dB， 組合損耗0,38dB與針對匹配的交替配對的以及每第4個配對的放大器的上述結(jié)果相比，針對匹配的相鄰放大器的結(jié)果(X: 27dB， Y: 18dB， Z: 17dB)明顯更好，并可以作為許多應(yīng)用的優(yōu)選方案。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)至MPA互調(diào)產(chǎn)物(IMP),這些是由HPA的非線性引起的，HPA的非線性可以由公知的級數(shù)展開來表示
L,=《+a2.K"2 +a3J^…" (25)
其中Vin和V。ut是HPA輸入信號電壓和輸出信號電壓，(X，、 (X2、 (X3……等是固定系數(shù)。在MPA的情況下，放大器A，、 A2……的輸入處的信號集
合V^、 Va2……由以下給出
<formula>formula see original document page 22</formula>
其中r是輸入混合設(shè)備集合的轉(zhuǎn)移矩陣(見等式(8))， pi、 p2……是
MPA輸入信號電壓。
在每個放大器輸出處出現(xiàn)的IMP IMal、 IMa2……由等式(25)確定。對于所選的互調(diào)產(chǎn)物(與等式(25)中被提升至與所關(guān)注的產(chǎn)物階數(shù)相同功率的項相對應(yīng))，在MPAO/P處出現(xiàn)的IMPIM" IM2……由以下給出
<formula>formula see original document page 22</formula>其中IMa,、 IMa2……是放大器A,、 A2……等的輸出處的所選IMP， Q是輸出混合設(shè)備集合的轉(zhuǎn)移矩陣(等式(8))。
通過分析(假定理想MPA混合設(shè)備和放大器跟蹤)，得出以下結(jié)
論
-如果將多于一個載波應(yīng)用于單個I/P端口，則所有IM產(chǎn)物出現(xiàn)在相應(yīng)0/P端口處，而任何其他端口處不出現(xiàn)任何產(chǎn)物。
-如果將頻率分別為Fa和Fb的兩個載波應(yīng)用于兩個不同的I/P端
口，則兩載波、N階產(chǎn)物(N=m+n，m-n=l，艮卩3階、5階、7階……等)出現(xiàn)如下
如果m為偶數(shù)，則在具有Fb的0/P處出現(xiàn)IMP mFa-nFb，但如果m為奇數(shù)，則在具有Fa的0/P處出現(xiàn)IMPmFa-nFb;
如果m為偶數(shù)，則在具有Fa的0/P處岀現(xiàn)mFb-nFa，但如果m為奇數(shù)，則在具有Fb的0/P處出現(xiàn)mFb-nFa 。
如果將三個載波Fa、 Fb、 Fe應(yīng)用于3個不同端口，則最高電平IMP，即，三載波、3階產(chǎn)物全部出現(xiàn)在與任何想要的信號端口不同的相同輸出端口處?？傮w上，這與其他分析一致，例如M. Tanaka, Y. Suzuki,"Nonlinear Distortion Analysis of Multiport Amplifier", AIAA 22International Communications Satellite System Conference, Monterey,May 2004,并在圖8中針對8端口MPA示出。針對3個單獨輸入載波的全部56種組合，這標(biāo)識了出現(xiàn)3載波IMP的0/P端口。這些情況下IMP位置的標(biāo)識可以有助于構(gòu)造以將惱人的高電平IMP定位于遠離敏感業(yè)務(wù)量為目的的、多波束有效載荷的頻率規(guī)劃。
本發(fā)明尤其適用于Ku和Ka頻帶MPA，對于Ku和Ka頻帶MPA，頻率具有相應(yīng)較短的波長(0.025至0.015米)。與已經(jīng)成功結(jié)合迸有效載荷的L或S頻帶設(shè)計(波長0.2至0.14米)相比，這些短波長使得尤其難以實現(xiàn)所需的跟蹤性能。因此，Ku和Ka頻帶MPA的對準和測試時間更長且成本更高，因此，在這些頻率處使用本發(fā)明更加有效。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)諧多端口放大器的方法，所述多端口放大器包括并聯(lián)布置的偶數(shù)個功率放大器，每個放大器與另一放大器配對；一系列輸入端口和一系列輸出端口，所述輸入端口由信號分割網(wǎng)絡(luò)連接至所述放大器，所述輸出端口由信號組合網(wǎng)絡(luò)連接至所述放大器，使得任何給定輸入端口處的輸入信號由所有放大器放大，然后，放大后的輸入信號被重新組合為給定輸出端口處的輸出信號，所述方法包括以下步驟將每個放大器的信號相位和增益與其配對放大器的信號相位和增益進行匹配至比非配對放大器之間的所述匹配更嚴格的程度。
2. 如權(quán)利要求1所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，所述將每個放大器與其配對放大器進行匹配的步驟是通過對相鄰配對的放大器進行相互匹配來執(zhí)行的。
3. 如權(quán)利要求2所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，所述信號分割網(wǎng)絡(luò)和所述信號組合網(wǎng)絡(luò)分別包括一系列相應(yīng)的信號分割混合設(shè)備和信號組合混合設(shè)備，并且，所述對相鄰配對的放大器進行相互匹配的步驟還包括對與每個所述放大器對最密切相關(guān)的相應(yīng)輸入和輸出混合設(shè)備的信號相位和插入損耗進行匹配。
4. 如權(quán)利要求3所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，每個相鄰放大器對和與其最密切相關(guān)的相應(yīng)輸入和輸出混合設(shè)備包括具有公共電源的自含式組件。
5. 如權(quán)利要求1所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，所述將每個放大器與其配對放大器進行匹配的步驟是通過所述對交替配對的放大器進行匹配來執(zhí)行的。
6. 如權(quán)利要求5所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，所述信號分割網(wǎng)絡(luò)和所述信號組合網(wǎng)絡(luò)分別包括一系列相應(yīng)的信號分割混合設(shè)備和信號組合混合設(shè)備，并且，所述對交替配對的放大器進行匹配的步驟還包括對與每個配對放大器最密切相關(guān)和其次密切相關(guān)的相應(yīng)輸入和輸出混合設(shè)備的信號相位和插入損耗進行匹配。
7. 如權(quán)利要求1所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，所述將每個放大器與其配對放大器進行匹配的步驟是通過所述對每第4個位置配對的放大器進行匹配來執(zhí)行的。
8. 如權(quán)利要求7所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，所述信號分割網(wǎng)絡(luò)和所述信號組合網(wǎng)絡(luò)分別包括一系列相應(yīng)的信號分割混合設(shè)備和信號組合混合設(shè)備，并且，所述對每第4個位置配對的放大器進行匹配的步驟還包括對與每個配對放大器最密切相關(guān)、第二密切相關(guān)和第三密切相關(guān)的相應(yīng)輸入和輸出混合設(shè)備的信號相位和插入損耗進行匹配。
9. 如之前任一權(quán)利要求所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，包括以下步驟將每個放大器的所述信號相位和增益與其配對放大器的信號相位和增益進行匹配至實質(zhì)上在10至15度的信號相位和1至2 dB的增益之內(nèi)。
10. 如之前任一權(quán)利要求所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，包括以下步驟將每個放大器的所述信號相位和增益與其配對放大器的信號相位和增益進行匹配至實質(zhì)上在7至10度的信號相位和0.7至1.0dB的增益之內(nèi)。
11. 如之前任一權(quán)利要求所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，包括以下步驟將每個放大器的所述信號相位和增益與其配對放大器的信號相位和增益進行匹配至實質(zhì)上在5至7度的信號相位和0.5至0.7dB的增益之內(nèi)。
12. 如之前任一權(quán)利要求所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，包括以下步驟將每個放大器的所述信號相位和增益與其配對放大器的信號相位和增益進行匹配至實質(zhì)上在小于5度的信號相位和小于0.5 dB的增益之內(nèi)。
13. 如之前任一權(quán)利要求所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，包括以下步驟將所述非配對放大器匹配至實質(zhì)上在15至20度的信號相位和1.5至2.5 dB的增益之間。
14. 如權(quán)利要求3、 4、 6或8中任一項所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，包括以下步驟將所有混合設(shè)備進行匹配至至少實質(zhì)上10度的信號相位和1 dB的插入損耗。
15. 如權(quán)利要求3、 4、 6或8所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，包括以下步驟將混合設(shè)備輸出端口之間與90度相位差的偏差設(shè)置為至少實質(zhì)上5度，并將混合設(shè)備輸入和輸出端口之間的插入損耗跟蹤設(shè)置為至少實質(zhì)上0.3 dB。
16. 如之前任一權(quán)利要求所述的調(diào)諧多端口放大器的方法，其中，所述功率放大器是微波功率放大器。
17. —種多端口放大器，包括并聯(lián)布置的偶數(shù)個功率放大器，每個放大器與另一放大器配對； 一系列輸入端口和一系列輸出端口，所述輸入端口由信號分割網(wǎng)絡(luò)連接至所述放大器，所述輸出端口由信號組合網(wǎng)絡(luò)連接至所述放大器，使得任何給定輸入端口處的輸入信號由所有放大器放大，然后，放大后的輸入信號被重新組合為給定輸出端口處的輸出信號，所述多端口放大器是根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的方法來調(diào)諧的。
18. 如權(quán)利要求17所述的多端口放大器，包括8個端口，其中，所述信號分割網(wǎng)絡(luò)和所述信號組合網(wǎng)絡(luò)均包括8X8 Butler矩陣。
19. 如權(quán)利要求n所述的多端口放大器，其中，所述信號分割網(wǎng)絡(luò)包括一系列信號分割混合設(shè)備，所述信號組合網(wǎng)絡(luò)包括一系列信號組合混合設(shè)備。
20. 如權(quán)利要求19所述的多端口放大器，包括8個端口，其中，所述信號分割網(wǎng)絡(luò)和所述信號組合網(wǎng)絡(luò)均包括與Butler矩陣等效的3列混合設(shè)備，而沒有混合設(shè)備間的相移器。
21. 如權(quán)利要求18、 19或20所述的多端口放大器，其中，前4個輸入端口分別連接至不同的非重疊頻帶，而后4個輸入端口分別連接至相同的4個頻帶之一。
22. 如權(quán)利要求18、 19或20所述的多端口放大器，其中，前4個輸入端口交替連接至兩個不同的非重疊頻帶，后4個輸入端口分別連接至兩個不同的非重疊頻帶，其中用于第一組4個輸入端口的兩個頻帶與用于第二組的兩個頻帶不同。
23. 如權(quán)利要求18、 19或20所述的多端口放大器，其中，成對的相鄰輸入端口連接至相同頻率的頻帶，每一對相鄰輸入端口連接至4個不同的非重疊頻帶之一。
24. 如權(quán)利要求21、 22或23所述的多端口放大器，其中，每個輸出端口連接至每束單饋的多波束天線的相應(yīng)天線饋線，從而形成波束集合，所述波束集合具有根據(jù)所限定的頻率重用模式的頻率。
25. 如權(quán)利要求17至24中任一項所述的多端口放大器，其中，所述功率放大器是微波功率放大器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種調(diào)諧多端口放大器的方法和一種多端口放大器。所述多端口放大器包括并聯(lián)布置的偶數(shù)個微波功率放大器(A1-A8)；一系列輸入端口(p1-p8)和一系列輸出端口(q1-q8)，所述輸入端口由一系列輸入混合設(shè)備(A-M)連接至所述放大器，所述輸出端口由一系列輸出混合設(shè)備(A-M)連接至所述放大器，使得任何給定輸入端口處的輸入信號由所有放大器放大，然后，放大后的輸入信號被重新組合為給定輸出端口處的輸出信號。所述方法包括以下步驟將一對相鄰放大器中的每個放大器與另一個放大器進行匹配至比非配對放大器之間的匹配更大的程度，同時仍能夠確保所有輸出端口之間可接受的信號隔離。所述調(diào)諧方法產(chǎn)生了非常適于特定頻率重用方案要求的MPA，所述MPA具有顯著減小的設(shè)置和測試時間。
文檔編號H03F3/60GK101682303SQ200880014583
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月4日
發(fā)明者艾倫·大衛(wèi)·庫奇曼, 達里爾·理查德·瓊斯 申請人:阿斯特里姆有限公司