专利名称：在射频系统中使用的功率组合器和构成功率组合器的方法
技术领域：
本发明涉及射频系统，特别涉及在射频系统中使用的功率组合器。
扩展的线性功率放大器系统业已被建议用于蜂窝基站中。这些系统包括许多个线性功率放大器模块，用以产生相应数量的输出信号，这些输出信号在传送之前需要组合成为一个单个高功率信号。这样的系统典型地用于通信系统中，例如用于无线电话系统的基站中。希望在这样系统中线性功率放大器模块的数量可以是从最小数量直到可允许的放大器最大数量的任何数量。按照这种方式，由基站的发送单元输出的功率量可以被调节。还希望该系统在所选定的放大器的整个范围内(即从最小的放大器数量到最大的放大器数量)提供适当的功率放大系数。
然而，常规的功率组合器诸如威尔金森(Wilkinson)型组合器只在所有可用的放大器都现用时才有效，而当选定的数量小于最大的放大器数量时，由于阻抗失配和有限制性的电路元件而使其效率迅速变低。例如，当单个放大器耦合到该组合器时，Wilkinson型10∶1组合器只有10％的效率。这种差的效率是在小于最大放大时发生的，对于扩展线性放大器的应用是不希望的。
为了解决这个问题而提出的一种建议的设备已在欧洲专利EP0540286 A1(简称为“286号专利”)中叙述了。286号专利叙述一个两步阻抗转换过程，可用于设计一种组合器，在可选整数个数的已安装的放大器时具有最大效率。该整数选定在最小的放大器数量与最大的放大器数量之间。虽然286号专利叙述的组合器看来比Wilkinson型组合器更有效地工作，但是286号专利也有一些缺陷。由于最佳效率的位置通常不在整数值上，故迫使最大效率在所选的整数上会在从最小的放大器数量到最大的放大器数量的典型范围内产生次佳性能。
据此，现在需要一种改进的功率组合器，在放大器可耦合到该组合器的整个放大器数量范围内保持高效率，而不劣化该组合器的有用带宽。
本发明提出的这种需要是通过提供一种功率组合器和构成功率组合器的方法以在射频系统中使用而实现的。根据本发明的一个方面，该功率组合器包括多条定相传输线，用以支持与其相耦合的一组放大器；和多条匹配传输线。该组放大器具其有数量是在最小值与最大值之间的可选择数量的放大器。在优选的实施例中，每条定相传输线具有长度基本上等效于四分之一波长；和特性阻抗，等于系统特性阻抗。每条匹配传输线在其一端耦合到一条相位线，另一端耦合到公共节点。每条匹配传输线具有长度，基本上等效于四分之一波长；和根据该组放大器中放大器的最小数量和最大数量的函数确定的特性阻抗。该函数最好包括该放大器组的最小数量乘以最大数量的四次根。
根据本发明的另一方面，该功率组合器包括支持一组放大器的多条定相传输线和连接到每条定相传输线的变换线。该组放大器具有数量在最小值与最大值之间的可选定数量的放大器。每条定相传输线具有长度，基本上等于半波长；和特性阻抗，等于系统特性阻抗。所述的变换线具有长度，等于四分之一波长；和根据该组放大器中放大器的最小数量和最大数量的函数而确定的特性阻抗。该函数最好包括该放大器组的最小数量乘以最大数量的四次根的倒数。
根据本发明的又一方面，一种用以构成功率组合器的方法包括以下步骤提供多条平行定相传输线，以支持与其连接的一组放大器；提供多条匹配传输线；和根据该组放大器中放大器最小数量和最大数量的非线性函数确定匹配传输线的特性阻抗。该放大器组具有数量在最小值与最大值之间的可选择数量的放大器。每条匹配传输线在其一端连接到一条相位线，另一端连接到公共节点。每条匹配传输线具有基本上等效的特性阻抗。
结合以下附图参阅下文的详细叙述可更好地理解本发明本身及其优点。
图1示出根据本发明的优选实施例中具有一个分离器和功率组合器的射频电路的方框图。
图2示出图1的功率组合器的优选实施例的示意图。
图3示出四输入功率组合器的优选实施例的示意图。
图4示出图1的功率组合器的另一个优选实施例的示意图。
图5示出优选实施例相对现有技术设备的改进的效率曲线图。
现在参见图1，图中示出包括一个功率分离器和功率组合器的射频(“RF”)电路100。功率分离器和功率组合器电路100包括一个功率分离器电路102、一组放大器104和一个功率组合器106。功率分离器102接收输入信号108，该输入信号108被分离成为多个输出信号。从功率分离器102来的多个输出信号馈送到该组功率放大器104内的个别功率放大器。功率放大器104的输出各自馈送到功率组合器106。组合器106接收该组放大器104的每个输出并产生输出信号110。在优选的实施例中，功率分离器102耦接到该放大器组104，该放大器组104又耦接到功率组合器106。现在针对图2说明根据优选实施例执行功率分离器102或功率组合器106的功能的电路。为了便于说明起见，将这种电路称为“功率组合器”，尽管该电路也配置成为一个功率分离器。
参见图2，图中示出根据优选实施例的功率组合器120。功率组合器120包括多条定相传输线122、多条匹配传输线124、一个公共节点126、一个输出负载128和一组输入节点130。该组输入节点130个别地耦接到该组放大器104内的一个放大器。每条定相传输线122在其一端耦接到输入节点130之一，另一端耦接到一条匹配传输线124。每条定相传输线122具有一个特性阻抗，它基本上等效于输出阻抗128。在这个例子中，由于输出负载阻抗为50欧姆，所以每条定相传输线具有大约50欧姆的特性阻抗，而且每条定相传输线122具有长度，等于四分之一波长。
每条匹配传输线124耦接到公共节点126。每个匹配传输线124还具有长度，等于四分之一波长或其奇数倍，而且每条匹配传输线124具有根据该组放大器104中最小的放大器的数量和最大的放大器数量的函数而确定的特性阻抗。在优选的实施例中，该函数是非线性函数。该函数最好是最小的放大器数量和最大的放大器数量之乘积的四次根，然后，它乘以负载阻抗128。然而，其它的非线性函数诸如三次根函数虽然不象四次根函数那样好，但能提供合适的性能。这个公式示于图2中，与匹配传输线124相邻。公共节点126耦接到每条匹配传输线124，而且还耦接一个负载，典型地是50欧姆的电阻128。虽然上文参照图2叙述一个功率组合器106，但是电路120也适合用以作为功率分离器102。
参见图3，图中示出具有最少数量即一个放大器和最多数量即四个放大器的功率组合器140的一个例子。组合器140包括四条定相传输线142、四条匹配传输线144和一个公共节点146。每条定相传输线142有一个50欧姆的阻抗和等于四分之一波长的长度。每条匹配传输线具有长度为四分之一波长，和特性阻抗，大约70.71欧姆。匹配传输线144的阻抗根据上述优选的四次根公式确定。本领域的技术人员理解，功率组合器电路140有许多优点。例如，功率组合器电路140在可接到该组合器140的放大器的数量范围内提供改善的功率和效率。优选的电路140还提供改善的效率，而不劣化该组合器的有用带宽。
参见图4，图中示出功率组合器200的第二优选实施例。组合器200包括定相线202和耦接到输出节点206的变换线204。输出节点206耦接一个负载电阻208。每条定相线202耦接到一组输入节点210之中一个输入节点，该组输入接点210支持和耦接到一个放大器组104。每条定相传输线202具有半波长的长度，并且具有约为50欧姆的特性阻抗。变换线204的一端耦接到每条定相线202，另一端耦接到输出节点206。变换线204具有四分之一波长的长度。在优选的实施例中，变换线204具有根据图4所示公式确定的特性阻抗。变换线的特性阻抗是通过将负载电阻阻抗除以可接到该组输入210的最少放大器数量与可接到该输入组210的最大放大器数量乘积的四次根进行计算的。
本领域的技术人员理解，一些应用要使用组合器120是更适合的，而其它应用使用组合器200更适合。确定是使用合成器120还是组合器200的因素之一是变换线204的计算长度和特性阻抗。在一些应用中，变换线204的特性阻抗可能太小，以致于不能以现有的传输线技术实现。在这种情况下，应该使用图2中所示的组合器120。本领域的技术人员还理解，根据众所周知的传输线技术诸如带状线技术可产生在这里所叙述的任何传输线。最好考虑到实际尺寸的限制，所选的传输线技术应该适合于频率高于200Mhz的应用这些优选的实施例具有许多优点，例如，优选的组合器在连接到该组合器的放大器的数量范围内保持高的效率。具体地说，图5示出优选实施例和现有技术Wilkinson及286号专利的设备之间的效率的比较。优选的实施例保持高于89％的效率，而现有技术的设备具有60-75％之间最差情况的效率。据此，优选实施例在整个范围内提供更一致的性能。
本领域的技术人员还很容易理解其它的优点和修改。为此，从其广义上讲，本发明不局限于具体的细节、代表性的设备和在这里所示的及所叙述的说明性实例。对上文的说明可在不违反本发明的范围或精神的情况下进行各种修改和变化，意图是本发明覆盖所有的在后附的权利要求书和它们的等效物范围内的修改和变化。
权利要求
1.一种在射频系统中使用的功率组合器，其特征在于，包括多条定相传输线，支持耦接到它的一组放大器，所述的组具有其数量在最小值和最大值之间可选择数量的放大器；以及多条匹配传输线，每条匹配传输线具有第一端和第二端，所述的第一端耦接到一条定相线，而所述第二端耦接到一个公共节点，和每条匹配传输线具有根据在所述的放大器组中最小可选放大器数量的与最大可选择的数量的函数而确定的基本上等效的特本性阻抗。
2.根据权利要求1的功率组合器，其特征在于，每条所述定相传输线具有四分之一波长的长度。
3.根据权利要求1的功率组合器，其特征在于，所述的函数包括在该放大器组的最小可选放大器数量与最大可选放大器的数量乘积的四次根。
4.根据权利要求1的功率组合器，其特征在于，所述的最小数量是2，所述的最大数量是4，和所述的特性阻抗在约80至约90欧姆之间。
5.一种用以构成在射频系统中使用的功率组合器的方法，其特征在于，包括以下步骤提供支持耦接到它的一组放大器的多条平行定相传输线，所述组具有其数量在最小值与最大值之间可选择数量的放大器；提供多条匹配传输线，每条匹配传输线具有第一端和第二端，所述的第一端接到一条定相线，而所述的第二端接到一个公共节点，和每条匹配传输线具有基本上等效的特性阻抗；以及根据所述放大器组的最小可选放大器的数量与最大可选放大器数量的非线性函数，确定特性阻抗。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述射频系统包括无线电话系统的一个基站。
7.一种在射频系统中使用的功率组合器，其特征在于，包括支持接到它的一组放大器的多条平行定相传输线，所述组具有其数量在最小值与最大值之间可选择数量的放大器，每条所述定相传输线具有基本上等于一半波长或其倍数的长度；和一条变换线，其一端接到每条定相线，并且具有根据所述放大器组的最小值与最大值的函数而确定的特性阻抗。
8.根据权利要求7的功率组合器，其特征在于，所述的变换线耦接到一个电阻性输出负载，和所述的定相传输线每条具有基本上等于该输出负载的阻抗的特性阻抗。
9.根据权利要求7的功率组合器，其特征在于，所述的长度基本上等于多倍的半波长。
10.根据权利要求7的功率组合器，其特征在于，所述的函数包括该放大器组在数量上的最小值与最大值可选数量之乘积的四次根的倒数。
全文摘要
一种功率组合器包括支持接到它的一组放大器(104)的多条定相传输线(122)，和多条匹配传输线(124)。该放大器组具有在最小值与最大值之间可选择数量的放大器。每条匹配传输线(124)其一端接到一条定相传输线(122)，另一端接到一个公共节点(126)。每条匹配传输线(124)具有根据该组放大器(104)中放大器的最小与最大数量的函数而确定的基本上等效的特性阻抗。
文档编号H01P5/12GK1159259SQ96190787
公开日1997年9月10日 申请日期1996年6月12日 优先权日1995年7月21日
发明者罗伯特·布鲁斯·斯泰德曼, 约翰·厄纳斯特·玛兹 申请人:摩托罗拉公司