用于能够补偿具有故障的功率放大器模块的rf高功率生成的装置和方法
【专利摘要】用于RF高功率生成的装置和方法能够补偿具有故障的功率放大器模块。本发明涉及用于RF高功率生成的装置（1）和方法，包括具有RF输入（3）和至少一个RF输出（4）的至少一个功率组合器（2），以及通过至少一条传输线（6）分别电气连接到输入（3）的至少两个功率放大器模块（5）。至少一个RF开关（7）由至少一条传输线包括，其中复杂负载（8）电气连接到至少一个RF开关（7）。
【专利说明】用于能够补偿具有故障的功率放大器模块的RF高功率生成的装置和方法
[0001 ]本发明涉及用于RF高功率生成的装置和方法，包括具有RF输入和至少一个RF输出的至少一个功率组合器，以及通过至少一条传输线分别电气连接到输入的至少两个功率放大器模块。至少一个RF开关由至少一条传输线包括。
[0002]射频RF和/或微波功率利用适当的生成器产生。用于高功率应用的RF功率生成器是基于电子管，例如速调管、感应输出管或磁控管。可替换地，固态技术用于RF功率生成器，特别是晶体管技术。利用固态RF功率生成器，具有小尺寸和高效率的可靠RF功率产生是可能的。晶体管技术的缺点是每晶体管芯片的低RF功率输出(在500MHz频率处在直到1.5kW功率输出的范围中)。相比之下，利用速调管作为针对电子管技术的示例，直到几兆瓦RF功率输出是可能的。
[0003]为了利用例如基于晶体管的RF生成器来生成高量的功率，RF生成器的集群是必要的。例如基于推挽式或平衡式种类拓扑的单个功率放大器PA中的晶体管的集群可以增加系统的复杂性并且增加故障的风险。如果单个晶体管失效，整个设备必须更换。可替换的方式是使用具有公共、特别地是单个功率组合器的数个功率放大器模块。
[0004]在模块化装置中，来自经由传输线连接至公共功率组合器的功率放大器模块的RF功率在功率组合器中聚集成高RF功率。例如将同轴线缆和/或带状线用作传输线。提供到功率组合器的功率放大器模块的输出功率被调节和优化以给出高效率。从功率组合器的输入到相应功率放大器模块的功率的低反射和从功率放大器模块到其它功率放大器模块的低功率传输，确保所谓的串扰。
[0005]在一个或多个功率放大器模块退出操作的情况下，例如由于用于步进式输出RF功率调节的所期望的关机和/或由于例如由于过热或晶体管故障所致的功率放大器模块的缺陷/故障，一个或多个模块不再生成RF功率并且在相应功率组合器输入处，生成模块的输出阻抗的任意值。系统不平衡并且具有串扰以及失配，这意味着来自功率组合器输入的增加的经反射RF功率可以是结果。来自仍旧正常运转的功率放大器模块的总输出RF功率的大部分可以通过功率组合器输送至有缺陷的模块。这些降低输出负载处的总RF功率，该功率可以由RF功率消耗设备使用。功率组合器系统的总效率降低。
[0006]从现有技术得知的可能解决方案是使用具有输入端口之间的高量隔离的功率组合器，例如Wilkinson类型功率组合器。在一个或多个功率放大器模块故障的情况下，内置隔离电阻器耗散来自其余功率放大器模块的大量功率。在这种功率组合器中，串扰降低，但是由于隔离电阻器中的输出功率耗散，总功率组合效率也降低。
[0007]从现有技术得知的另一可能的解决方案是使用在RF功率放大器模块的每一个输出处单独受控的环行器。在功率放大器模块故障的情况下，经反射和交叉馈送的功率将在连接到相应环行器的虚拟负载中耗散。结果得到的功率组合系统的总功率效率由于功率组合器下游负载处的可用功率的减小而减小。
[0008]本发明的目的是呈现一种用于RF高功率生成的、具有功率组合器和具有高总效率的电气连接的功率放大器模块的易于使用且成本有效的装置和方法(特别是在一个或多个功率放大器模块失效的情况下)。本发明另外的目的是甚至在一个或多个功率放大器模块故障的事件中减少来自功率组合器的输入的串扰和功率反射。
[0009]以上目的通过根据权利要求1的用于RF高功率生成的装置和根据权利要求6的特别地利用以上描述的装置的用于RF高功率生成的方法来实现。
[0010]本发明的有利实施例在从属权利要求中给出。主权利要求的特征可以与彼此并且与从属权利要求的特征组合，并且从属权利要求的特征可以组合在一起。
[0011]用于RF高功率生成的装置包括具有RF输入和至少一个RF输出的至少一个功率组合器，以及通过至少一条传输线分别电气连接至输入的至少两个功率放大器模块。至少一个RF开关由至少一条传输线包括并且复杂负载电气连接至至少一个RF开关。
[0012]具有电气连接的复杂负载的至少一个RF开关的使用允许在例如至少一个功率放大器模块故障的情况下平衡装置。如果模块紊乱，例如有缺陷，相应RF开关可以从电气连接模块与功率组合器的状态切换到连接功率组合器的相应输入与复杂负载的状态。输入处的复杂负载提供功率组合器的相应输入处的某个阻抗值，从而将功率组合器调谐回到具有其余、仍旧运转的功率放大器模块与功率组合器的输出处的输出负载之间的匹配的状态。相比于例如功率放大器模块故障之前的状态，没有耗散有用功率并且总功率组合效率保持恒定。来自例如有缺陷的功率放大器模块的功率的缺失可以通过增加来自正常运转的功率放大器模块的输出RF功率来偿还。
[0013]比如开关盒那样的组件相比于使用环行器更廉价，它们在尺寸方面可以更小并且更易于使用。可以存在提供给开关的比提供给环行器或Wilkinson类型功率组合器更高量的功率而没有整体上系统的故障。在关断至少一个功率放大器模块以用于步进式输出RF功率调节的情况下，装置的效率未降低。这同样适用于功率放大器模块故障的情况。
[0014]根据本发明的装置易于使用且成本有效，并且保留高的总体效率，甚至在一个或多个功率放大器模块失效和/或被关断以用于步进式RF功率调节的情况下亦是如此。来自功率组合器的输入的功率反射和串扰被抑制而分别降低，甚至在一个或多个功率放大器模块故障的事件中亦是如此。
[0015]装置的复杂负载可以是预定义的负载(特别地在50OHM的范围中)和/或可以连接在短路种类中(即连结到地)，和/或可以连接在开路种类中(即从地断开)。
[0016]预定义的复杂负载可以在限定成在例如相应功率放大器模块故障或切断之后平衡装置的范围中。复值必须在匹配电气连接到功率组合器的工作功率放大器模块的范围中选择。
[0017]RF开关可以是外部受控RF开关，特别地为pin 二极管和/或机械开关的种类。可以包括控制单元以检测功率放大器模块的故障和/或控制RF开关。如果检测到功率放大器模块的故障，相应开关可以由控制单元从电气连接有缺陷的功率放大器模块与功率组合器的相应输入的位置切换到将功率组合器的相应输入电气连接到相应复杂负载的位置。控制单元可以包括计算机和/或微控制器单元。
[0018]至少一个输出负载可以被包括到、电气连接到至少一个功率组合器的至少一个RF输出，特别地由至少一条输出传输线所包括。除其它之外，可以电气连接比如医学设备、分析或其它高RF功率消耗设备那样的消耗器。
[0019]用于RF高功率生成的方法(特别地利用如以上所描述的装置)包括: 第一步骤-检测分别电气连接到至少一个功率组合器的输入的至少两个功率放大器模块中的至少一个功率放大器模块的故障，其中至少两个功率放大器模块分别通过包括至少一个RF开关的至少一条传输线电气连接到至少一个功率组合器，以及
第二步骤-将具有故障的至少一个功率放大器模块的至少一个RF开关切换到没有至少一个功率组合器输入到具有故障的至少一个功率放大器模块的电气连接、并且具有至少一个功率组合器输入到复杂负载的电气连接的模式。
[0020]具有故障的至少一个功率放大器模块的功率Pk可以通过其余工作的功率放大器模块来补偿，导致从功率组合器的RF输出到输出负载的功率P特别地等于至少一个功率放大器模块故障之前的功率P。功率组合效率可以保持与功率放大器模块故障之前相同。由于关断有缺陷的模块并且由于将预定义的复杂负载连接到功率组合器的相应输入，因此没有功率损失，从而平衡装置并且防止由于来自其余、工作的功率放大器模块的经反射功率引起的功率损失。
[0021]方法可以是自动方法，特别地由计算机和/或微控制器单元控制。可替换地，其可以是手动方法，例如在检测到故障之后用手切换。手动和自动方法的组合也是可能的，例如自动故障检测和手动切换。
[0022]在第二步骤之前电气连接到具有故障的至少一个功率放大器模块的至少一个功率组合器的输入处，可以在第二步骤之后连接经定义的阻抗。其减少或防止来自功率组合器的输入的功率Pi/被反射到工作的功率放大器模块和/或防止来自具有故障的至少一个功率放大器模块的功率Pke被返回到工作的功率放大器模块。
[0023]具有功率组合器与工作的功率放大器模块和具有故障的至少一个功率放大器模块的装置中的功率的串扰和/或失配可以通过将具有故障的至少一个功率放大器模块的至少一个RF开关切换到没有模块到功率组合器的输入的电气连接的模式和/或通过将具有故障的至少一个功率放大器模块的至少一个RF开关切换到具有到特别预定义的复杂负载的电气连接的模式来最小化和/或防止。
[0024]与根据本发明的用于RF高功率生成的所描述的方法有关的优点类似于之前与用于RF高功率生成的装置有关地描述的优点并且反之亦然。
[0025]以下参照在附图中示出的说明性实施例来进一步描述本发明，其中:
图1图示了从现有技术得知的具有N个工作的功率放大器模块5的功率组合器2的装置1，以及
图2图示了如从现有技术得知的如图1中所示的但是具有有缺陷的功率放大器模块5’的装置I，以及
图3图示了根据本发明的装置1，其具有分别连接到复杂负载8的RF开关7，该RF开关7布置在功率放大器模块5与功率组合器2之间以在至少一个功率放大器模块5 ’的关断和/或故障之后平衡装置I。
[0026]在图1中，示出从现有技术得知的具有N个工作的功率放大器模块5的功率组合器2的装置I。功率放大器模块5经由输入传输线6分别连接至功率组合器2的输入3。输出负载9由电气连接到功率组合器2的RF输出4的输出传输线6 ’所包括。
[0027]在正常状态处，即其中所有功率放大器模块5正常工作并且没有任何有缺陷的功率放大器模块，功率组合器2在输入3处由全部N个功率放大器模块5驱动。功率组合器2组合全部N个功率放大器模块5的输出功率Pi，其中i=l，2，3，…，N，从而向输出负载9提供RF功率Ρ=Ρι+Ρ2+Ρ3+...+Ρν。所有功率放大器模块5的输出阻抗被调谐至经定义的值，典型地例如每一个功率放大器模块5匹配到50 Ohm，从而平衡装置I。从连接到功率放大器模块5的功率组合器2的相应输入3反射的功率应当是低的，即针对所有输入3最小化，并且从功率放大器模块5到所有其它功率放大器模块5的功率传输(所谓的串扰)应当是低的，即最小化。在该条件中，将装置I指代为平衡的。
[0028]在图2中，描绘了如从现有技术得知的如图1中所示但是处于非平衡状态的装置I，其具有有缺陷的或关断的功率放大器模块5’。在一些或至少一个功率放大器模块5’不操作(例如由于所期望的功率放大器模块5’关机以用于步进式输出RF功率P调节，或由于缺陷、过热、在功率放大器模块5’是基于晶体管的情况下晶体管损坏或其它错误)的情况下，不操作的功率放大器模块5 ’不生成RF功率Pk。不操作的功率放大器模块5 ’ (例如具有故障的功率放大器模块5’)的输出阻抗是未知的，其中任意复值被应用于功率组合器2的相应输入3。
[0029]这些导致从功率组合器输入反射的RF功率的增加，即失配，功率放大器模块5之间的串扰的增加，并且由正常运转的功率放大器模块5提供的总输出RF功率的大部分可以经由功率组合器2输送至有缺陷或关断的功率放大器模块5’。输送到输出负载9的由连接到装置I的消耗器(在图中为了简化而并未详细示出)使用的RF功率P降低。装置I的总效率相比于关于图1描述的情形而降低。
[0030]在图2中所示的实施例中，图示了针对具有号码k的一个有缺陷的功率放大器模块5’的情形。这仅仅是示例，可以存在有缺陷的多于一个功率放大器模块5’，或者它/它们可以被关断以用于功率组合器2的输出功率P的步进式调节。功率放大器模块5的数目为N13RF功率Pi"(其中i=l，2，3，…，N并且i#k)是来自功率组合器2的相应输入3的相应经反射的RF功率。功率Pie(其中i=l，2，3，…，N并且i #k)是作为串扰的结果的来自功率组合器2朝向操作的功率放大器模块5的附加返回RF功率。Pk是经由功率组合器2从操作的功率放大器模块5输送至有缺陷的或关断的功率放大器模块5 ’的RF功率。
[0031 ]从功率放大器模块5输送至输出负载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)，
其可以取决于有缺陷的或关断的功率放大器模块5’的未知输出阻抗的值而向下降至零。经反射和交叉馈送的功率可以导致正常操作的功率放大器模块5的损坏和/或损坏或进一步损坏关断的或损坏的功率放大器模块5’。
[0032]为了防止损害并且保留总功率组合效率，本发明的目的是将和Pk的值特别地降低至最小值，以用于装置I的节约和持续操作。
[0033]在图3中，示出根据本发明的装置I，其中RF开关7分别连接至复杂负载8，以在至少一个功率放大器模块5 ’的关断和/或故障之后平衡装置I。通过将RF开关7从经由输入传输线6将有缺陷或关断的功率放大器模块5 ’电气连接到功率组合器2的相应输入3的位置切换至IJ将预定义的复杂负载8电气连接到功率组合器2的相应输入3的位置，将Pi" ,PilPPk的值特别地降低至最小值。
[0034]图3中的装置I如图2的装置，但是其中RF开关7分别连接到附加地由每一条输入传输线6包括的复杂负载8。只要所有功率放大器模块5在操作中，特别地没有故障，其也是图1中的情形，所有开关在经由输入传输线6将相应功率放大器模块5电气连接到功率组合器2的相应输入3的位置中，在图3中为了简化而并未示出该情形。如果一个或多于一个功率放大器模块5 ’有缺陷或者出于其它原因而必须关断，相应功率放大器模块5 ’的开关7 ’被切换到将预定义的复杂负载8电气连接到功率组合器2的相应输入3并且将相应功率放大器模块5’从功率组合器2电气断开的位置中。作为结果，功率组合器2的输入3处的经定义阻抗值将装置I转到匹配模式中，其中具有经定义阻抗值的预定义复杂负载8导致电气连接到功率组合器2的其余工作的功率放大器模块5的匹配和与输出负载9的平衡。如果选择复杂负载8的正确值，PAPie和Pk的值特别地降低至最小值和/或零。复杂负载8的典型值在50 Ohm的范围中。
[0035]在切换之后，输出负载9处的结果得到的总功率为 Ρ=(Ρι+Ρ2+Ρ3+..-Pk-1+Pk+i+.--+Pn)。
[0036]使用在没有缺陷或关断的功率放大器模块的模式中的功率没有被耗散并且保留总功率组合效率相应地保持恒定。在功率放大器模块5’的故障或关断之前提供的损失RF功率可以通过增加其余正常操作且仍旧电气连接到功率组合器2的功率放大器5的输出RF功率来偿还。
[0037]RF开关例如由pin 二极管或继电器构建或者包括pin 二极管或继电器。在图3中为了简化而并未示出但是通过相应开关8处的箭头指代的控制单元可以被包括以检测功率放大器模块5’的故障。控制单元可以控制RF开关7并且触发切换。控制单元可以是或者包括例如计算机和/或微控制器单元。
[0038]可替换地，控制单元可以检测故障，但是开关相应地手动切换。另外的可替换方案是故障和切换的检测手动进行。
[0039]包括pin二极管或继电器的开关(例如以开关盒的形式)相比于例如环行器而言更廉价。开关盒可以在大小方面小于环行器，导致根据本发明的紧凑的装置I。由根据本发明的装置I提供的功率相比于包括环行器而不是开关盒的装置或者相比于具有Wilkinson种类的功率组合器的装置而言可以更高。根据本发明的装置I可以用于关断RF功率放大器模块5 ’以用于例如步进式输出RF功率调节，而不损失功率组合效率。
[0040]以上描述的根据本发明的实施例的特征可以与彼此组合和/或可以与从现有技术得知的实施例组合。例如，多于一个功率放大器模块5’可以关断和/或可以有缺陷。装置I可以包括多于一个功率组合器2。除其它之外，输出负载9可以是医学设备或其它电气接受器，特别是消耗器，其使用由装置I提供的高RF功率。
【主权项】
1.用于RF高功率生成的装置(I)，包括具有RF输入(3)和至少一个RF输出(4)的至少一个功率组合器(2)，和通过至少一条传输线(6)分别电气连接到输入(3)的至少两个功率放大器模块(5)，并且其中至少一个RF开关(7)由至少一条传输线包括，其特征在于复杂负载(8)电气连接到至少一个RF开关(7)。2.根据权利要求1的装置(1)，其特征在于复杂负载(8)是预定义负载，特别地在50Ohm的范围中和/或连接在短路种类中和/或连接在开路种类中。3.根据权利要求1或2中任一项的装置(I)，其特征在于RF开关(7)是外部受控的RF开关(7)，特别地为pin二极管或机械开关的种类。4.根据权利要求3的装置(1)，其特征在于包括控制单元以检测功率放大器模块(5’)的故障和/或控制RF开关(7)，特别地包括计算机和/或微控制器单元。5.根据权利要求1至4中任一项的装置(I)，其特征在于包括至少一个输出负载(9)，该输出负载(9)电气连接到至少一个功率组合器(2)的至少一个RF输出(4)，该输出负载(9)特别地由至少一条输出传输线(6 ’)包括。6.用于RF高功率生成的方法，其特别地利用根据权利要求1至5中任一项的装置(1)，所述方法包括:第一步骤，检测分别电气连接到至少一个功率组合器(2)的输入(3，3’)的至少两个功率放大器模块(5，5’)中的至少一个功率放大器模块(5’)的故障，其中至少两个功率放大器模块(5，5’)分别通过包括至少一个RF开关(7，7’)的至少一条传输线(6)电气连接到至少一个功率组合器(2)，并且包括第二步骤，将具有故障的至少一个功率放大器模块(5’)的至少一个RF开关(7’)切换到没有至少一个功率组合器(2)输入(3’)到具有故障的至少一个功率放大器模块(5’)的电气连接、并且具有至少一个功率组合器(2)输入(3’)到复杂负载(8)的电气连接的模式。7.根据权利要求6的方法，其特征在于具有故障的至少一个功率放大器模块(5’)的功率Pk通过其余工作的功率放大器模块(5)来补偿，导致从功率组合器(2)的RF输出(4)到输出负载(9)的功率P特别地等于至少一个功率放大器模块(5 ’ )的故障之前的功率P。8.根据权利要求6或7中任一项的方法，其特征在于方法是自动方法，特别地由计算机、微控制器单元控制，和/或是手动方法。9.根据权利要求6至8中任一项的方法，其特征在于在第二步骤之前电气连接到具有故障的至少一个功率放大器模块(5’)的至少一个功率组合器(2)的输入(3’)处，在第二步骤之后连接到输入(3’)的经定义的阻抗减少或防止来自功率组合器(2)的输入的功率P1/被反射到工作的功率放大器模块(5 )和/或防止来自具有故障的至少一个功率放大器模块(5，)的功率Pf被返回到工作的功率放大器模块(5 )。10.根据权利要求6至9中任一项的方法，其特征在于具有功率组合器(2)与工作的功率放大器模块(5)和具有故障的至少一个功率放大器模块(5 ’)的装置(I)中的功率的串扰和/或失配通过将具有故障的至少一个功率放大器模块(5’)的至少一个RF开关(7’)切换到没有模块(5’)到功率组合器(2)的输入(3’)的电气连接的模式和/或通过将具有故障的至少一个功率放大器模块(5’)的至少一个RF开关(7’)切换到具有到特别预定义的复杂负载(8)的电气连接的模式来最小化和/或防止。
【文档编号】H03F3/60GK106063126SQ201480073883
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年1月24日
【发明人】E.V.伊万诺夫, A.A.克拉斯诺夫, A.Y.斯米尔诺夫, M.策尔布
【申请人】西门子有限责任公司