用于能夠補償具有故障的功率放大器模塊的rf高功率生成的裝置和方法
【專利摘要】用于RF高功率生成的裝置和方法能夠補償具有故障的功率放大器模塊。本發明涉及用于RF高功率生成的裝置（1）和方法，包括具有RF輸入（3）和至少一個RF輸出（4）的至少一個功率組合器（2），以及通過至少一條傳輸線（6）分別電氣連接到輸入（3）的至少兩個功率放大器模塊（5）。至少一個RF開關（7）由至少一條傳輸線包括，其中復雜負載（8）電氣連接到至少一個RF開關（7）。
【專利說明】用于能夠補償具有故障的功率放大器模塊的RF高功率生成的裝置和方法
[0001 ]本發明涉及用于RF高功率生成的裝置和方法，包括具有RF輸入和至少一個RF輸出的至少一個功率組合器，以及通過至少一條傳輸線分別電氣連接到輸入的至少兩個功率放大器模塊。至少一個RF開關由至少一條傳輸線包括。
[0002]射頻RF和/或微波功率利用適當的生成器產生。用于高功率應用的RF功率生成器是基于電子管，例如速調管、感應輸出管或磁控管。可替換地，固態技術用于RF功率生成器，特別是晶體管技術。利用固態RF功率生成器，具有小尺寸和高效率的可靠RF功率產生是可能的。晶體管技術的缺點是每晶體管芯片的低RF功率輸出(在500MHz頻率處在直到1.5kW功率輸出的范圍中)。相比之下，利用速調管作為針對電子管技術的示例，直到幾兆瓦RF功率輸出是可能的。
[0003]為了利用例如基于晶體管的RF生成器來生成高量的功率，RF生成器的集群是必要的。例如基于推挽式或平衡式種類拓撲的單個功率放大器PA中的晶體管的集群可以增加系統的復雜性并且增加故障的風險。如果單個晶體管失效，整個設備必須更換。可替換的方式是使用具有公共、特別地是單個功率組合器的數個功率放大器模塊。
[0004]在模塊化裝置中，來自經由傳輸線連接至公共功率組合器的功率放大器模塊的RF功率在功率組合器中聚集成高RF功率。例如將同軸線纜和/或帶狀線用作傳輸線。提供到功率組合器的功率放大器模塊的輸出功率被調節和優化以給出高效率。從功率組合器的輸入到相應功率放大器模塊的功率的低反射和從功率放大器模塊到其它功率放大器模塊的低功率傳輸，確保所謂的串擾。
[0005]在一個或多個功率放大器模塊退出操作的情況下，例如由于用于步進式輸出RF功率調節的所期望的關機和/或由于例如由于過熱或晶體管故障所致的功率放大器模塊的缺陷/故障，一個或多個模塊不再生成RF功率并且在相應功率組合器輸入處，生成模塊的輸出阻抗的任意值。系統不平衡并且具有串擾以及失配，這意味著來自功率組合器輸入的增加的經反射RF功率可以是結果。來自仍舊正常運轉的功率放大器模塊的總輸出RF功率的大部分可以通過功率組合器輸送至有缺陷的模塊。這些降低輸出負載處的總RF功率，該功率可以由RF功率消耗設備使用。功率組合器系統的總效率降低。
[0006]從現有技術得知的可能解決方案是使用具有輸入端口之間的高量隔離的功率組合器，例如Wilkinson類型功率組合器。在一個或多個功率放大器模塊故障的情況下，內置隔離電阻器耗散來自其余功率放大器模塊的大量功率。在這種功率組合器中，串擾降低，但是由于隔離電阻器中的輸出功率耗散，總功率組合效率也降低。
[0007]從現有技術得知的另一可能的解決方案是使用在RF功率放大器模塊的每一個輸出處單獨受控的環行器。在功率放大器模塊故障的情況下，經反射和交叉饋送的功率將在連接到相應環行器的虛擬負載中耗散。結果得到的功率組合系統的總功率效率由于功率組合器下游負載處的可用功率的減小而減小。
[0008]本發明的目的是呈現一種用于RF高功率生成的、具有功率組合器和具有高總效率的電氣連接的功率放大器模塊的易于使用且成本有效的裝置和方法(特別是在一個或多個功率放大器模塊失效的情況下)。本發明另外的目的是甚至在一個或多個功率放大器模塊故障的事件中減少來自功率組合器的輸入的串擾和功率反射。
[0009]以上目的通過根據權利要求1的用于RF高功率生成的裝置和根據權利要求6的特別地利用以上描述的裝置的用于RF高功率生成的方法來實現。
[0010]本發明的有利實施例在從屬權利要求中給出。主權利要求的特征可以與彼此并且與從屬權利要求的特征組合，并且從屬權利要求的特征可以組合在一起。
[0011]用于RF高功率生成的裝置包括具有RF輸入和至少一個RF輸出的至少一個功率組合器，以及通過至少一條傳輸線分別電氣連接至輸入的至少兩個功率放大器模塊。至少一個RF開關由至少一條傳輸線包括并且復雜負載電氣連接至至少一個RF開關。
[0012]具有電氣連接的復雜負載的至少一個RF開關的使用允許在例如至少一個功率放大器模塊故障的情況下平衡裝置。如果模塊紊亂，例如有缺陷，相應RF開關可以從電氣連接模塊與功率組合器的狀態切換到連接功率組合器的相應輸入與復雜負載的狀態。輸入處的復雜負載提供功率組合器的相應輸入處的某個阻抗值，從而將功率組合器調諧回到具有其余、仍舊運轉的功率放大器模塊與功率組合器的輸出處的輸出負載之間的匹配的狀態。相比于例如功率放大器模塊故障之前的狀態，沒有耗散有用功率并且總功率組合效率保持恒定。來自例如有缺陷的功率放大器模塊的功率的缺失可以通過增加來自正常運轉的功率放大器模塊的輸出RF功率來償還。
[0013]比如開關盒那樣的組件相比于使用環行器更廉價，它們在尺寸方面可以更小并且更易于使用。可以存在提供給開關的比提供給環行器或Wilkinson類型功率組合器更高量的功率而沒有整體上系統的故障。在關斷至少一個功率放大器模塊以用于步進式輸出RF功率調節的情況下，裝置的效率未降低。這同樣適用于功率放大器模塊故障的情況。
[0014]根據本發明的裝置易于使用且成本有效，并且保留高的總體效率，甚至在一個或多個功率放大器模塊失效和/或被關斷以用于步進式RF功率調節的情況下亦是如此。來自功率組合器的輸入的功率反射和串擾被抑制而分別降低，甚至在一個或多個功率放大器模塊故障的事件中亦是如此。
[0015]裝置的復雜負載可以是預定義的負載(特別地在50OHM的范圍中)和/或可以連接在短路種類中(即連結到地)，和/或可以連接在開路種類中(即從地斷開)。
[0016]預定義的復雜負載可以在限定成在例如相應功率放大器模塊故障或切斷之后平衡裝置的范圍中。復值必須在匹配電氣連接到功率組合器的工作功率放大器模塊的范圍中選擇。
[0017]RF開關可以是外部受控RF開關，特別地為pin 二極管和/或機械開關的種類。可以包括控制單元以檢測功率放大器模塊的故障和/或控制RF開關。如果檢測到功率放大器模塊的故障，相應開關可以由控制單元從電氣連接有缺陷的功率放大器模塊與功率組合器的相應輸入的位置切換到將功率組合器的相應輸入電氣連接到相應復雜負載的位置。控制單元可以包括計算機和/或微控制器單元。
[0018]至少一個輸出負載可以被包括到、電氣連接到至少一個功率組合器的至少一個RF輸出，特別地由至少一條輸出傳輸線所包括。除其它之外，可以電氣連接比如醫學設備、分析或其它高RF功率消耗設備那樣的消耗器。
[0019]用于RF高功率生成的方法(特別地利用如以上所描述的裝置)包括: 第一步驟-檢測分別電氣連接到至少一個功率組合器的輸入的至少兩個功率放大器模塊中的至少一個功率放大器模塊的故障，其中至少兩個功率放大器模塊分別通過包括至少一個RF開關的至少一條傳輸線電氣連接到至少一個功率組合器，以及
第二步驟-將具有故障的至少一個功率放大器模塊的至少一個RF開關切換到沒有至少一個功率組合器輸入到具有故障的至少一個功率放大器模塊的電氣連接、并且具有至少一個功率組合器輸入到復雜負載的電氣連接的模式。
[0020]具有故障的至少一個功率放大器模塊的功率Pk可以通過其余工作的功率放大器模塊來補償，導致從功率組合器的RF輸出到輸出負載的功率P特別地等于至少一個功率放大器模塊故障之前的功率P。功率組合效率可以保持與功率放大器模塊故障之前相同。由于關斷有缺陷的模塊并且由于將預定義的復雜負載連接到功率組合器的相應輸入，因此沒有功率損失，從而平衡裝置并且防止由于來自其余、工作的功率放大器模塊的經反射功率引起的功率損失。
[0021]方法可以是自動方法，特別地由計算機和/或微控制器單元控制。可替換地，其可以是手動方法，例如在檢測到故障之后用手切換。手動和自動方法的組合也是可能的，例如自動故障檢測和手動切換。
[0022]在第二步驟之前電氣連接到具有故障的至少一個功率放大器模塊的至少一個功率組合器的輸入處，可以在第二步驟之后連接經定義的阻抗。其減少或防止來自功率組合器的輸入的功率Pi/被反射到工作的功率放大器模塊和/或防止來自具有故障的至少一個功率放大器模塊的功率Pke被返回到工作的功率放大器模塊。
[0023]具有功率組合器與工作的功率放大器模塊和具有故障的至少一個功率放大器模塊的裝置中的功率的串擾和/或失配可以通過將具有故障的至少一個功率放大器模塊的至少一個RF開關切換到沒有模塊到功率組合器的輸入的電氣連接的模式和/或通過將具有故障的至少一個功率放大器模塊的至少一個RF開關切換到具有到特別預定義的復雜負載的電氣連接的模式來最小化和/或防止。
[0024]與根據本發明的用于RF高功率生成的所描述的方法有關的優點類似于之前與用于RF高功率生成的裝置有關地描述的優點并且反之亦然。
[0025]以下參照在附圖中示出的說明性實施例來進一步描述本發明，其中:
圖1圖示了從現有技術得知的具有N個工作的功率放大器模塊5的功率組合器2的裝置1，以及
圖2圖示了如從現有技術得知的如圖1中所示的但是具有有缺陷的功率放大器模塊5’的裝置I，以及
圖3圖示了根據本發明的裝置1，其具有分別連接到復雜負載8的RF開關7，該RF開關7布置在功率放大器模塊5與功率組合器2之間以在至少一個功率放大器模塊5 ’的關斷和/或故障之后平衡裝置I。
[0026]在圖1中，示出從現有技術得知的具有N個工作的功率放大器模塊5的功率組合器2的裝置I。功率放大器模塊5經由輸入傳輸線6分別連接至功率組合器2的輸入3。輸出負載9由電氣連接到功率組合器2的RF輸出4的輸出傳輸線6 ’所包括。
[0027]在正常狀態處，即其中所有功率放大器模塊5正常工作并且沒有任何有缺陷的功率放大器模塊，功率組合器2在輸入3處由全部N個功率放大器模塊5驅動。功率組合器2組合全部N個功率放大器模塊5的輸出功率Pi，其中i=l，2，3，…，N，從而向輸出負載9提供RF功率Ρ=Ρι+Ρ2+Ρ3+...+Ρν。所有功率放大器模塊5的輸出阻抗被調諧至經定義的值，典型地例如每一個功率放大器模塊5匹配到50 Ohm，從而平衡裝置I。從連接到功率放大器模塊5的功率組合器2的相應輸入3反射的功率應當是低的，即針對所有輸入3最小化，并且從功率放大器模塊5到所有其它功率放大器模塊5的功率傳輸(所謂的串擾)應當是低的，即最小化。在該條件中，將裝置I指代為平衡的。
[0028]在圖2中，描繪了如從現有技術得知的如圖1中所示但是處于非平衡狀態的裝置I，其具有有缺陷的或關斷的功率放大器模塊5’。在一些或至少一個功率放大器模塊5’不操作(例如由于所期望的功率放大器模塊5’關機以用于步進式輸出RF功率P調節，或由于缺陷、過熱、在功率放大器模塊5’是基于晶體管的情況下晶體管損壞或其它錯誤)的情況下，不操作的功率放大器模塊5 ’不生成RF功率Pk。不操作的功率放大器模塊5 ’ (例如具有故障的功率放大器模塊5’)的輸出阻抗是未知的，其中任意復值被應用于功率組合器2的相應輸入3。
[0029]這些導致從功率組合器輸入反射的RF功率的增加，即失配，功率放大器模塊5之間的串擾的增加，并且由正常運轉的功率放大器模塊5提供的總輸出RF功率的大部分可以經由功率組合器2輸送至有缺陷或關斷的功率放大器模塊5’。輸送到輸出負載9的由連接到裝置I的消耗器(在圖中為了簡化而并未詳細示出)使用的RF功率P降低。裝置I的總效率相比于關于圖1描述的情形而降低。
[0030]在圖2中所示的實施例中，圖示了針對具有號碼k的一個有缺陷的功率放大器模塊5’的情形。這僅僅是示例，可以存在有缺陷的多于一個功率放大器模塊5’，或者它/它們可以被關斷以用于功率組合器2的輸出功率P的步進式調節。功率放大器模塊5的數目為N13RF功率Pi"(其中i=l，2，3，…，N并且i#k)是來自功率組合器2的相應輸入3的相應經反射的RF功率。功率Pie(其中i=l，2，3，…，N并且i #k)是作為串擾的結果的來自功率組合器2朝向操作的功率放大器模塊5的附加返回RF功率。Pk是經由功率組合器2從操作的功率放大器模塊5輸送至有缺陷的或關斷的功率放大器模塊5 ’的RF功率。
[0031 ]從功率放大器模塊5輸送至輸出負載9的RF功率是
P=(Pl+P2+P3H----Pk-l+Pk+l^-----1-Pn) - (Plr+PlC+P2r+P2C+P3r+P3C^-----l-PNr+PNC+Pk)，
其可以取決于有缺陷的或關斷的功率放大器模塊5’的未知輸出阻抗的值而向下降至零。經反射和交叉饋送的功率可以導致正常操作的功率放大器模塊5的損壞和/或損壞或進一步損壞關斷的或損壞的功率放大器模塊5’。
[0032]為了防止損害并且保留總功率組合效率，本發明的目的是將和Pk的值特別地降低至最小值，以用于裝置I的節約和持續操作。
[0033]在圖3中，示出根據本發明的裝置I，其中RF開關7分別連接至復雜負載8，以在至少一個功率放大器模塊5 ’的關斷和/或故障之后平衡裝置I。通過將RF開關7從經由輸入傳輸線6將有缺陷或關斷的功率放大器模塊5 ’電氣連接到功率組合器2的相應輸入3的位置切換至IJ將預定義的復雜負載8電氣連接到功率組合器2的相應輸入3的位置，將Pi" ,PilPPk的值特別地降低至最小值。
[0034]圖3中的裝置I如圖2的裝置，但是其中RF開關7分別連接到附加地由每一條輸入傳輸線6包括的復雜負載8。只要所有功率放大器模塊5在操作中，特別地沒有故障，其也是圖1中的情形，所有開關在經由輸入傳輸線6將相應功率放大器模塊5電氣連接到功率組合器2的相應輸入3的位置中，在圖3中為了簡化而并未示出該情形。如果一個或多于一個功率放大器模塊5 ’有缺陷或者出于其它原因而必須關斷，相應功率放大器模塊5 ’的開關7 ’被切換到將預定義的復雜負載8電氣連接到功率組合器2的相應輸入3并且將相應功率放大器模塊5’從功率組合器2電氣斷開的位置中。作為結果，功率組合器2的輸入3處的經定義阻抗值將裝置I轉到匹配模式中，其中具有經定義阻抗值的預定義復雜負載8導致電氣連接到功率組合器2的其余工作的功率放大器模塊5的匹配和與輸出負載9的平衡。如果選擇復雜負載8的正確值，PAPie和Pk的值特別地降低至最小值和/或零。復雜負載8的典型值在50 Ohm的范圍中。
[0035]在切換之后，輸出負載9處的結果得到的總功率為 Ρ=(Ρι+Ρ2+Ρ3+..-Pk-1+Pk+i+.--+Pn)。
[0036]使用在沒有缺陷或關斷的功率放大器模塊的模式中的功率沒有被耗散并且保留總功率組合效率相應地保持恒定。在功率放大器模塊5’的故障或關斷之前提供的損失RF功率可以通過增加其余正常操作且仍舊電氣連接到功率組合器2的功率放大器5的輸出RF功率來償還。
[0037]RF開關例如由pin 二極管或繼電器構建或者包括pin 二極管或繼電器。在圖3中為了簡化而并未示出但是通過相應開關8處的箭頭指代的控制單元可以被包括以檢測功率放大器模塊5’的故障。控制單元可以控制RF開關7并且觸發切換。控制單元可以是或者包括例如計算機和/或微控制器單元。
[0038]可替換地，控制單元可以檢測故障，但是開關相應地手動切換。另外的可替換方案是故障和切換的檢測手動進行。
[0039]包括pin二極管或繼電器的開關(例如以開關盒的形式)相比于例如環行器而言更廉價。開關盒可以在大小方面小于環行器，導致根據本發明的緊湊的裝置I。由根據本發明的裝置I提供的功率相比于包括環行器而不是開關盒的裝置或者相比于具有Wilkinson種類的功率組合器的裝置而言可以更高。根據本發明的裝置I可以用于關斷RF功率放大器模塊5 ’以用于例如步進式輸出RF功率調節，而不損失功率組合效率。
[0040]以上描述的根據本發明的實施例的特征可以與彼此組合和/或可以與從現有技術得知的實施例組合。例如，多于一個功率放大器模塊5’可以關斷和/或可以有缺陷。裝置I可以包括多于一個功率組合器2。除其它之外，輸出負載9可以是醫學設備或其它電氣接受器，特別是消耗器，其使用由裝置I提供的高RF功率。
【主權項】
1.用于RF高功率生成的裝置(I)，包括具有RF輸入(3)和至少一個RF輸出(4)的至少一個功率組合器(2)，和通過至少一條傳輸線(6)分別電氣連接到輸入(3)的至少兩個功率放大器模塊(5)，并且其中至少一個RF開關(7)由至少一條傳輸線包括，其特征在于復雜負載(8)電氣連接到至少一個RF開關(7)。2.根據權利要求1的裝置(1)，其特征在于復雜負載(8)是預定義負載，特別地在50Ohm的范圍中和/或連接在短路種類中和/或連接在開路種類中。3.根據權利要求1或2中任一項的裝置(I)，其特征在于RF開關(7)是外部受控的RF開關(7)，特別地為pin二極管或機械開關的種類。4.根據權利要求3的裝置(1)，其特征在于包括控制單元以檢測功率放大器模塊(5’)的故障和/或控制RF開關(7)，特別地包括計算機和/或微控制器單元。5.根據權利要求1至4中任一項的裝置(I)，其特征在于包括至少一個輸出負載(9)，該輸出負載(9)電氣連接到至少一個功率組合器(2)的至少一個RF輸出(4)，該輸出負載(9)特別地由至少一條輸出傳輸線(6 ’)包括。6.用于RF高功率生成的方法，其特別地利用根據權利要求1至5中任一項的裝置(1)，所述方法包括:第一步驟，檢測分別電氣連接到至少一個功率組合器(2)的輸入(3，3’)的至少兩個功率放大器模塊(5，5’)中的至少一個功率放大器模塊(5’)的故障，其中至少兩個功率放大器模塊(5，5’)分別通過包括至少一個RF開關(7，7’)的至少一條傳輸線(6)電氣連接到至少一個功率組合器(2)，并且包括第二步驟，將具有故障的至少一個功率放大器模塊(5’)的至少一個RF開關(7’)切換到沒有至少一個功率組合器(2)輸入(3’)到具有故障的至少一個功率放大器模塊(5’)的電氣連接、并且具有至少一個功率組合器(2)輸入(3’)到復雜負載(8)的電氣連接的模式。7.根據權利要求6的方法，其特征在于具有故障的至少一個功率放大器模塊(5’)的功率Pk通過其余工作的功率放大器模塊(5)來補償，導致從功率組合器(2)的RF輸出(4)到輸出負載(9)的功率P特別地等于至少一個功率放大器模塊(5 ’ )的故障之前的功率P。8.根據權利要求6或7中任一項的方法，其特征在于方法是自動方法，特別地由計算機、微控制器單元控制，和/或是手動方法。9.根據權利要求6至8中任一項的方法，其特征在于在第二步驟之前電氣連接到具有故障的至少一個功率放大器模塊(5’)的至少一個功率組合器(2)的輸入(3’)處，在第二步驟之后連接到輸入(3’)的經定義的阻抗減少或防止來自功率組合器(2)的輸入的功率P1/被反射到工作的功率放大器模塊(5 )和/或防止來自具有故障的至少一個功率放大器模塊(5，)的功率Pf被返回到工作的功率放大器模塊(5 )。10.根據權利要求6至9中任一項的方法，其特征在于具有功率組合器(2)與工作的功率放大器模塊(5)和具有故障的至少一個功率放大器模塊(5 ’)的裝置(I)中的功率的串擾和/或失配通過將具有故障的至少一個功率放大器模塊(5’)的至少一個RF開關(7’)切換到沒有模塊(5’)到功率組合器(2)的輸入(3’)的電氣連接的模式和/或通過將具有故障的至少一個功率放大器模塊(5’)的至少一個RF開關(7’)切換到具有到特別預定義的復雜負載(8)的電氣連接的模式來最小化和/或防止。
【文檔編號】H03F3/60GK106063126SQ201480073883
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年1月24日
【發明人】E.V.伊萬諾夫, A.A.克拉斯諾夫, A.Y.斯米爾諾夫, M.策爾布
【申請人】西門子有限責任公司