矩阵功率放大器、通信方法以及通信系统与流程

本公开内容涉及通信系统，并且更具体地，涉及以时分多址速率(time division multiple access rate)将高RF功率通过矩阵功率放大器传输到天线波束(antenna beam，波束天线)。

背景技术：

通常，在电信领域中，通过使用通信平台(例如中继站)帮助通信传输。这些通信平台包括经过地面覆盖区域或者在地面覆盖区域盘旋的人工驾驶的或者无人驾驶的任何航行器，范围从典型的人工操纵及无人操作飞行器(UAV)的海拔高度以及轻于空气的(LTA)平台，到在任何轨道(不仅仅是地球，而是任何天体诸如月球或者火星)上的通信卫星。通常，通信平台以弯管原理(bent-pipe principle)运行，其中通信平台从地面经由接收天线波束接收信号，并且伴随仅放大以及从上行链路频率或者下行链路频率的偏移，经由传输天线波束将信号返回至地球。然而，由于互联网流量、电子商务、计算机以及其他数字技术的进步，随着全球开始需求越来越大的带宽和越来越大的吞吐量，现有架构越来越不切实际或者昂贵。例如，现有的在频分多址(FDMA)中专有地运行的高吞吐量多波束通信平台的实例是普通的，但是对于架构的需求使成本和架构的实用性越来越紧张。在FDMA中专有运行的高吞吐量多波束通信平台的情况下，架构需要大量的天线波束以提供最大化总吞吐量所需的频率复用。架构还具有大量的高功率放大器、复杂的高功率交换机网络(high power switch network)以及复杂的滤波器网络，其通常基于波导并且质量大、体积大。所有的这些因素推进了高功率、体积以及质量的要求，而在太空船上功率、体积以及质量是受限制的。例如，由于用于高功率组件的复杂的热排放系统，常规FDMA架构还产生高热要求。

可包括多端口放大器系统的常规通信平台架构的其他实例，包括利用用于交换、路由以及复用的ATM交换机在异步传输模式(ATM)下操作的再生转发器(regenerative repeater)。然而，这些通信架构通常需要对RF信号解调和再调制，产生带宽吞吐量瓶颈。因为瓶颈，这些通信架构适用于低数据速率性能并且不适合于宽带架构。这些ATM系统还包括通过ATM交换机的固定路由并且将RF信号从接收天线波束路由到广播天线波束的负担落于通信架构本身上，这是很低效的并且增加卫星的复杂性和电力使用。这些ATM系统还通常使用固定驻留时间(例如，对于每一个天线波束固定的时分多址(TDMA)时间帧)限制系统可用的整体带宽。

在波束跳跃平台交换时分多址(PS-TDMA)系统中，RF信号按时间依次地路由到单独的波束，而不是如在FDMA系统中在不同的频率同时路由到单独的波束，FDMA系统中通过在固定馈电反射器天线、散焦阵馈反射器(defocused array fed reflector)之间交换或者通过重新配置直接辐射相位阵列进行波束跳跃。除了波束中分配的频率带宽的片段之外或者代替波束中分配的频率带宽的片段，天线波束的总流量容量取决于驻留时间。波束跳跃PS-TDMA架构还替换通常在FDMA系统中使用的复杂的微波输入复用器和输出复用器过滤网络。然而，在提供低成本方式用于仅在TDMA驻留时间的时长内将高RF电力路由到天线波束的方面，波束跳跃PS-TDMA架构依然面临挑战。常规波束跳跃PS-TDMA架构利用专用于单个天线波束的高功率放大器实现，其对于通信平台电力供应呈现显著的负担。由于用于高功率放大器的电源不能以通常的TDMA帧的交换速率接通并且断开，并且因此即使当不存在RF信号时电源也必须保持接通，因而在常规波束跳跃PS-TDMA架构中使用的高功率放大器进一步加重关注的电力使用。在常规波束跳跃PS-TDMA架构中，高功率放大器可以在天线波束之间交换。耦接至高功率放大器的高功率交换网络增加质量、占据体积并且必须处理高RF功率考虑诸如热耗散、热交换(hot switching)、欧姆损耗以及次级电子倍增(multipaction)。

技术实现要素：

因此，将发现有效的系统和方法以旨在解决以上确认的关注点。

本公开的一个实例涉及通信系统，包括：连接到通信平台并且具有矩阵功率放大器(matrix power amplifier)的下行链路通信模块(downlink communication module)，矩阵功率放大器包括输入混合矩阵(input hybrid matrix)、输出混合矩阵(output hybrid matrix)、布置在输入混合矩阵与输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵与输出混合矩阵通信的高功率放大器的组(bank)以及布置在输入混合矩阵与输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵与输出混合矩阵通信的调节器的组；以及连接到调节器的组中的每一个调节器的驱动电路，驱动电路被配置为命令每一个调节器以时分多址速率(time division multiple access rate)修改通过矩阵功率放大器的通信信号。

本公开的一个实例涉及矩阵功率放大器，包括：输入混合矩阵；具有一个以上的输入；输出混合矩阵，具有一个以上的输出；高功率放大器的组，布置在输入混合矩阵与输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵和输出混合矩阵通信；调节器的组，布置在输入混合矩阵与输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵和输出混合矩阵通信；以及驱动电路，连接到调节器的组中的每一个调节器，驱动电路被配置为命令每一个调节器以时分多址速率修改通过矩阵功率放大器的通信信号。

本公开的一个实例涉及通信的方法，包括：将通信信号输入矩阵功率放大器的输入混合矩阵；以及通过以时分多址速率修改通信信号来将通信信号可选择地重新路由到矩阵功率放大器的输出混合矩阵的预定输出。

附图说明

如此概括地描述了本公开的实例，现在将参考附图，附图不需要按比例绘制，并且其中，贯穿多个视图，相同的参考符号表示相同或者相似的部件，并且其中：

图1A是根据本公开的一个方面的通信系统的框图；

图1B是根据本公开的一个方面的通信系统的信道器的示意图；

图1C是根据本公开的一个方面的通信系统的矩阵功率放大器的示意图；

图1D是根据本公开的一个方面的通信系统的矩阵功率放大器的部分的示意图；

图2A是根据本公开的一个方面的通信系统的示意图；

图2B是根据本公开的一个方面的通信系统的部分的示意图；

图3是根据本公开的一个方面的通信系统的部分的示意图；

图4是根据本公开的一个方面的通信系统的部分的示意图；

图5A和图5B是根据本公开的一个方面的通信系统的部分的示意图；

图6A和图6B是根据本公开的一个方面的通信系统的部分的示意图；

图7是根据本公开的一个方面的通信系统的操作的流程图；

图8是根据本公开的一个方面的太空船生产和保养方法的流程图；以及

图9是根据本公开的一个方面的包括分布式航行器系统的太空船的示意图。

在以上提及的一个或多个框图中，连接各种元件和/或部件的实线(如果有的话)可以表示机械的、电的、流体的、光的、电磁的及其他耦接和/或其组合。如本文中使用的，“耦接”意味着直接关联以及间接关联。例如，构件A可以与构件B直接关联，或者可以例如经由另一个构件C与其间接关联。同样可以存在除在框图中绘制的那些以外的耦接。连接各种元件和/或部件的虚线(如果有的话)表示与由实线表示的功能及目的类似的耦接；然而，由虚线表示的耦接能够可选择地设置，或者可以指本公开的可替换的或者可选的方面。同样地，由虚线表示的元件和/或部件(如果有的话)表示本公开的可替换的或者可选的方面。环境元件(如果有的话)由虚线表示。

在以上提及的框图中，方框还可以表示其操作和/或部分。连接各种方框的线不暗指其操作或者部分的任何具体顺序或者依赖性。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多的具体细节以提供对本公开概念的详尽理解，在没有这些具体细节中的一些或者全部的情况下，可以实践本公开概念。在其他实例中，已省略己知装置和/或过程的细节以避免不必要地使本公开晦涩难懂。虽然将结合具体实例描述一些概念，但是将理解这些实例并不旨限制。

本文中提及的“一个实例”或者“一个方面”意味着结合实例或者方面一起描述的一个或多个特征、结构或者特性包括在至少一个实现内。在说明书各个位置的短语“一个实例”或者“一个方面”可以或者可以不指同一实例或者方面。

除非另外指明，否则本文中使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅作为标记，并不旨在将顺序的、位置的或者层级的要求施加于这些术语所指项上。此外，例如，参考“第二”项并不要求或者排除例如“第一”项或者更低标号项和/或例如“第三”项或者更高标号项的存在。

参考图1A，本文中描述的本发明的方面提供具有整合了至少一个高速TDMA速率可重配置的矩阵功率放大器109(还参见图4中的矩阵功率放大器409)的组合的FDMA/TDMA波束跳跃通信架构的卫星通信系统100，其中矩阵功率放大器109的输出127是可选择的。矩阵功率放大器109的输出127路由到相应的单独的天线波束110而没有进一步的通信信号的交换。如本文中所描述的，连接到相应的天线波束的矩阵功率放大器的每一个输出127，通过在矩阵功率放大器109的放大器的两端改变相级数角(phase progression angle)而从子矩阵功率放大器109的单个输入126接入。信道器111的端口117的全部带宽在TDMA帧的持续时间内发送到单个波束。所公开的实施方式的方面在时域内而不是频域内最大化矩阵功率放大器的功率共享灵活性，其中在频域内，在每一个波束簇(beam cluster)上的驻留时间(dwell time)基于作为簇的总吞吐量需求的片段的该波束的吞吐量需求。

所公开的实施方式的方面基本上消除了在放大之后将单个高功率放大器的高功率信号路由到多个波束的复杂高功率交换网络。公开的实施方式的方面还基本上消除了低功率交换矩阵，诸如选择矩阵功率放大器的输入以便选择输出波束的低功率TDMA微波交换矩阵，其中例如矩阵功率放大器的高功率放大器被分配给单独的天线波束。

同时，在本公开的一个方面中，通信系统100被描述为卫星架构的一部分(并且在本文中指的是卫星通信系统100)，应当理解，在其他方面中，通信系统100可以是任何空中或者轨道通信平台，例如长期演进的无人机(long-term unmanned aerial vehicle)或者轻于空气飞行器(lighter-than-air dirigible vehicle)。卫星通信系统100包括通过信道器111彼此耦接的上行链路接收机模块101和下行链路发射机模块102。如本文中所描述的，设置卫星控制器112以控制卫星通信系统100的操作的方面。卫星控制器112控制上行链路接收机模块101、下行链路发射机模块102以及信道器111的操作，并且更具体地，卫星控制器112控制如何通过将由上行链路接收机模块101所接收的RF信号(例如，在一个方面中是TDMA信号)或者光信号路由到下行链路发射机模块102的波束天线110。在本公开的一个方面中，卫星控制器112包括时间同步模块112B和存储器112A。在本公开的一个方面中，时间同步模块112B使上行链路接收机模块101、下行链路发射机模块102以及信道器111之间的通信同步。在一个方面中，时间同步模块112B将时间同步信号提供给上行链路接收机模块101、下行链路发射机模块102以及信道器111。在本公开的一个方面中，由时间同步模块112B生成的时间同步信号来源于由卫星控制器112所接收的、来自陆地(或者其他基于大地的)源199的控制信号198。在本公开的一个方面中，从陆地源199接收的控制信号198将指令提供给卫星控制器112，用于将来自上行链路接收机模块101的波束天线103的RF通信信号197(例如，TDMA信号)路由到下行链路发射机模块102的波束天线110和/或用于当从波束天线110广播通信信号197D时控制TDMA时间帧的驻留时间的持续时间。在本公开的一个方面中，来自陆地源199的控制信号198携带有(例如，基本上同时发送)由上行链路接收机模块101接收的RF通信信号197，而在其他方面中，控制信号198和RF通信信号197一个接一个地依次发送。在又一个方面中，在预定时间段内，在任何RF通信信号197被卫星接收之前发送控制信号198。例如，在一个方面中，基本上实时地通过卫星控制器112接收控制信号198(例如，在基本上与接收RF通信信号197相同的时间接收控制信号198，以控制通过卫星通信系统100路由)，使得控制信号198对应于给定的传输。在其他方面中，卫星控制器112提前接收一个或多个控制信号198，并且将通过控制信号198提供的数据存储在卫星控制器存储器112A内。在此，控制信号198对应于将要在预定时间段(例如，微秒、分钟、小时、天等)内进行的传输，其中对于通过卫星通信系统100在预定时段内的每一个传输的路由存储在卫星控制器存储器112A中作为例如路由表或者以允许控制器112将具有对应时隙的RF通信信号197与波束天线110关联的任何其他格式。在一个方面中，控制信号198根据要进行的传输重新配置卫星控制器112。

仍然参考图1A，在一个方面中，上行链路接收机模块101包括一个或多个波束天线103、一个或多个低噪声放大器(LNA)104、一个或多个TDMA交换机105以及一个或多个频率转换器106。在本公开的一个方面中，波束天线103是用于从诸如陆地源199的信号源接收RF通信信号197的卫星天线。在本公开的一个方面中，波束天线103是点波束天线(spot beam antenna)，而在其他方面中，波束天线103是多波束馈电天线或者相控阵列天线。在一个方面中，波束天线103是用于卫星通信系统100的输入源。在本公开的一个方面中，由波束天线103接收的RF通信信号197是TDMA信号，而在其他方面中，由天线接收的通信信号是光信号。在本公开的一个方面中，由波束天线103接收的TDMA信号经由波束天线输出129传输到一个或多个低噪声放大器104。低噪声放大器104通过LNA输入120接收TDMA信号，并且反过来放大TDMA信号。在本公开的一个方面中，对于每一个波束天线103有一个低噪声放大器104。然而，在其他方面中，在多个波束天线103之间共享一个或多个低噪声放大器104。在本公开的一个方面中，对于以冗余环配置排列的每一个上行链路波束天线103有多个低噪声放大器104。

上行链路接收机模块101还包括一个或多个TDMA交换机105。在本公开的一个方面中，TDMA交换机105具有一个交换机输出123和用于接收TDMA信号(例如从低噪声放大器104)的一个以上的交换机输入122。在所公开的实施方式的一个方面中，交换机输入122从包括多个输入波束的至少一个输入源(例如，波束天线103)接收TDMA信号。在本公开的一个方面中，TDMA交换机105是高速及低功率TDMA交换机，用于约0dBm或更低的低功率射频应用。在其他方面中，例如，TDMA交换机105是高速及高功率TDMA交换机。在一个方面中，如本文中所描述的，一个或多个频率转换器106被布置在低噪声放大器104与信号器111之间。在本公开的一个方面中，一个或多个频率转换器106是本机振荡器，但是在其他方面中，一个或多个频率转换器106是用于使TDMA信号的频率偏移的任何机构。在本公开的另一个方面中，TDMA交换机105在TDMA时间帧的持续时间内永久连接到TDMA信号的单个路径，使得实际上，上行链路接收机模块101没有TDMA交换机105。在其他方面中，TDMA交换机105被省略为上行链路接收机模块101的一部分。在一个方面中，如本文中将描述，利用矩阵功率放大器400(图4)替换低噪声放大器104和TDMA交换机105。

仍然参考图1A，上行链路接收机模块101连接至FDMA信道器111(通常称为信道器111)。在本公开的一个方面中，每一个TDMA交换机105(或者矩阵功率放大器400的每一个输出)连接至相应的信道器111的信道器输入116，其中信道器111从每一个TDMA交换机105(或者矩阵功率放大器400的每一个输出)接收TDMA信号。在其他方面中，信道器111可以具有任何预定数量的信道器输入116。在本公开的一个方面中，例如，信道器111根据来自卫星控制器112的时间同步模块112B中的时间同步信号，对于从TDMA交换机105(或者矩阵功率放大器400的输出)接收的TDMA信号提供固定的或者动态的重新路由。

参考图1A，在一个方面中，信道器111被配置为对于由信道器111从TDMA交换机105(或者矩阵功率放大器400)接收的TDMA信号提供频分复用。在本公开的一个方面中，TDMA信号的频分复用意味着信道器111将由信道器111接收的TDMA信号分解为不同的频带(例如，输入子信道118a-118k，图1B)。信道器111被配置为基于频带到预定的下行链路发射机模块102的下行链路波束天线110的路由重新整合频带(例如，输出子信道119a-119k，图1B)。

现在参考图1A和图1B，示出信道器111的示例性框图。在一个方面中，信道器111包括预指定的弯管路由和/或允许高速电路交换、数据包交换以及异步传输模式交换的解调制/重新调制特征。在另一方面中，信道器是光学信道器，使得当通信信号是光信号时，信号以光波频率/波长前进通过信道器。在一个方面中，信道器111包括N个信道器输入116a-116n和M个信道器输出117a-117m，其中N和M是大于一的预定数字。在一个方面中，信道器的输入116a-116n和输出117a-117m是TDMA端口与FDMA端口的组合，而在其他方面中，输入端口和输出端口是TDMA或者FDMA。信道器的输入116a-116n中的每一个连接至TDMA交换机105的相应的交换机输出123(或者相应的矩阵功率放大器400的输出)，并且从相应的TDMA交换机105(或者相应的矩阵功率放大器400的输出)接收TDMA信号。在一个方面中，针对N个信道器输入116a-116n与M个信道器输出117a-117m中的每一个，信道器111在N个信道器输入116a-116n至M个信道器输出117a-117m中的每一个之间提供K个输入子信道和K个输出子信道，其中K是大于一的预定数字。在该方面中，输入子信道118a-118k和输出子信道119a-119k的数量是相同的，但是在其他方面中，输入子信道118a-118k的数量与输出子信道119a-119k的数量不相同。在一个方面中，信道器的输入116a-116n中的每一个与信道器输出117a-117m中的每一个具有预定带宽BW。在一个方面中，信道器111包括频率划分模块113、交换矩阵114以及组合器模块115。频率划分模块113将来自每一个输入116a-116n的TDMA信号的输入子带频谱划分为频率片并且将频率片提供至K个输入子信道118a-118k。交换矩阵114将来自输入子信道118a-118k的频率片路由到预定的K个输出子信道119a-119k中的一个。在本公开的一个方面中，来自输入子信道118a-118k的频率片基本上同时被发送到输出子信道119a-119k中的一个或者广播到信道器输出117a-117m中的任一个。如以上提及的，在一个方面中，路由是固定的，其中频率片的路由根据例如输入而保持相同。然而，例如，在其他方面中，根据来自卫星控制器112的控制信号198频率片的路由是可配置的，在一个方面中，控制信号198包括用于将频率片从输入子信道118a-118k路由至输出子信道119a-119k的指令。组合器模块115将频率片连结(或者复用)到合适的输出子带(在一个方面中，输出子带与输入子带不同)，并且将输出子带路由至相应的输出子信道119a-119k。在一个方面中，信道器输入116a-116n与信道器输出117a-117m之间的连接基于小于或等于信道器带宽(BW)(在一个方面中，信道器带宽单位为兆赫兹(MHz))的子信道。在一个方面中，信道器111中的每一个信道器输入116a-116n将信道器输入116a-116n的带宽划分为K个输入子信道118a-118k。在一个方面中，K个输入子信道118a-118k中的每一个可以基本上同时发送到M个信道器输出117a-117m中的一个或者广播到任意数量的信道器输出117a-117m。在一个方面中，K个输入子信道118a-118k可以连结以形成任意数量的K个输出子信道119a-119k的连续信道。输出子信道119a-119k对应于信道器111中的相应的信道器输出117a-117m，其中从信道器输出117a-117m中输出的信号提供给下行链路发射机模块102的波束天线110。在一个方面中，信道器输出117a-117m中的每一个将K个子信道组合为端口的带宽。在一个方面中，信道器111的容量等于由波形选择给定的每赫兹位数乘以链路容量得到的总带宽吞吐量(N×BW，其中N和M相同)。在一个方面中，TDMA架构允许输出端口117a-117m的全部带宽在TDMA时间帧的持续时间内发送到单个波束天线110，伴随来自相邻波束或者互调失真的极少干扰，因此对于给定的带宽和辐射功率使信道容量最大化。在一个方面中，信道器111具有“网格”、“星”或者混合配置，其中由信道器的输入116a-116n接收的任何TDMA信号通过子信道基础路由到子信道上的任何信道器输出117a-117m。在一个方面中，通过将某些波束分配为网关状态，并且当必要时使该波束在更长时间段内并且在更宽的带宽上驻留，而形成“星”架构。在一个方面中，信道器111是数字信道器111，而在其他方面中，信道器111是模拟信道器。在其他方面中，信道器111的部分是数字的而其他部分是模拟的。在一个方面中，信道器111接收TDMA信号和传统的FDMA信号两者作为信道器输入116。在一个方面中，信道器111直接提供给RF频带采样和所有的功能(包括放大TDMA信号)，被数字化地整合到数字处理器内。

再次参考图1A，信道器输出117a-117m将产生的(例如输出)TDMA信号传输到下行链路发射机模块102。在本公开的一个方面中，下行链路发射机模块102包括：一个或多个数字或者模拟矩阵功率放大器109，从信道器输出117a-117m接收相应的输出TDMA信号；以及一个或多个波束天线110，传输矩阵功率放大器109的输出。在其他方面中，下行链路发射机模块102还包括基本上类似于上行链路接收机模块101的频率转换器106的一个或多个频率转换器107，且该频率转换器被放置在信道器111与一个或多个矩阵功率放大器109之间。在一个方面中，每一个矩阵功率放大器109包括移相器，移相器使能够将预定的矩阵功率放大器109的矩阵功率放大器输出127路由到预定的波束天线110而不经额外交换矩阵功率放大器109的下游(例如，高功率交换)，或者在一个方面中，不经额外交换信道器111的下游的矩阵功率放大器109的外部。在一个方面中，矩阵功率放大器109的功率分享灵活性在时域内而不是频域内最大化。在一个方面中，下行链路发射机模块102消除了在放大之后需要将单个高功率放大器的高功率信号路由到多个波束天线110的大体积高功率交换网络或者消除了将高功率放大器分配给每一个单独的波束天线110的需求。

如以上所提及的，信道器输出117a-117n对应于所选择的矩阵功率放大器109的矩阵功率放大器输入126(例如，预定输入)。现在参考图1C，示出了示例性矩阵功率放大器109。在一个方面中，矩阵功率放大器109包括输入混合矩阵109a(还被称为输入功率划分网络)、使输入混合矩阵109a的处理逆向的输出混合矩阵109b、微调节器109c的组以及高功率放大器109d的组。微调节器109c与高功率放大器109d并联操作，并且布置在输入混合矩阵109a与输出混合矩阵109b之间且与输入混合矩阵109a和输出混合矩阵109b通信。在一个方面中，微调节器109c布置在输入混合矩阵与高功率放大器109d之间并且至少与输入混合矩阵和高功率放大器109d通信。在一个方面中，有微调节器109c位于每一个高功率放大器109d的上游。在另一方面中，如在图1D中所示，存在位于每一个高功率放大器109d的下游的微调节器。在一个方面中，存在对应于每一个高功率放大器109d的微调节器109c，而在其他方面中，微调节器109c可以比高功率放大器109d多(其中，一个以上的微调节器共用一个高功率放大器)。在又一个其他方面中，微调节器109c可以比高功率放大器109d更少(其中，一个以上的高功率放大器共用一个微调节器)。在一个方面中，矩阵功率放大器109是可重新配置的混合矩阵功率放大器，其中矩阵功率放大器109的每一个矩阵功率放大器输入126选择性地映射(例如，在操作期间可控制地改变)到矩阵功率放大器109的预定的矩阵功率放大器输出127。在一个方面中，任意一个或多个输入126a-126n被路由到任意一个或多个输出127a-127n。例如，微调节器109c包括连接到例如驱动电路109p的可控制的移相器109cp。驱动电路109p连接至控制器112并且从控制器112接收关于通过矩阵功率放大器109的通信信号的路由的通信命令。驱动电路109p被配置为基于通信命令来命令每一个微调节器109c以TDMA速率修改通过矩阵功率放大器的通信信号。在驱动电路109p的控制之下，微调节器109c的可控制的移相器109cp选择矩阵功率放大器内的通信信号(例如，波束)路由，例如，通过改变高功率放大器109d之间的相级数角(其改变通信信号路由的输出端口127a-127n)将每一个输入126a-126n再映射到预定的输出127a-127n。在一个方面中，微调节器109c的组对高功率放大器109d的组的响应进行匹配(align)，使得来自一个或多个高功率放大器109d的信号在输出混合矩阵109b中组合并且汇合至(sum to)矩阵功率放大器109的单个输出127a-127n。在一个方面中，在单个输入上仅存在一个信号，然后存在一组相位调节，将信号路由至矩阵功率放大器的输出127a-127n中的任意一个或多个。在一个方面中，以TDMA速率进行通过微调节器109c进行的相位改变，用于将通过矩阵功率放大器的通信信号重新路由，同时基本上消除高功率交换并且允许高功率放大器109d在TDMA时间帧的持续时间内基本上同时以最大效率运行。在一个方面中，矩阵功率放大器中的至少一部分是数字的，其中本文中所描述的通过矩阵功率放大器对通信信号进行的相位调节是以数字化实现的。在其他方面中，矩阵功率放大器中的至少一部分是用于实现相位调节的模拟件(analog)。

在一个方面中，多个TDMA信号可以在多个矩阵功率放大器输入126处注入并且基本上同时路由到它们的相应的矩阵功率放大器输出127。在一个方面中，在矩阵功率放大器输入126中的一个处所接收的TDMA信号的频率与在任何其他矩阵功率放大器输入126处所接收的TDMA信号的频率相同。然而，在其他方面中，只要高功率放大器109d和所有其他介于中间的部件(例如，微调节器109c)的带宽包含由矩阵功率放大器输入126所接收的TDMA信号的带宽，则由矩阵功率放大器输入126中的每一个所接收的TDMA信号的频率是不同的。在一个方面中，输入混合矩阵109a在数字模块中数字化实现。在一个方面中，矩阵功率放大器109以直接辐射阵列还有小孔形阵列实现，其中输出混合矩阵109b的功能由天线光学器件代替电路执行。

矩阵功率放大器109的相应的矩阵功率放大器输出127a-127n中的每一个进一步耦接至对应的波束天线110中的一个。在一个方面中，波束天线110是点波束天线。然而，在其他方面中，波束天线110是多波束馈电天线或者相位阵列天线。波束天线110中的每一个在预定时间内从对应的矩阵功率放大器109的矩阵功率放大器输出127a-127n输出TDMA信号。在本公开的一个方面中，预定时间是基于来自时间同步模块112B的时间同步信号控制的TDMA信号的驻留时间。在本公开的一个方面中，基于来自时间同步模块112B的时间同步信号，从矩阵功率放大器的输出127a-127n输出的TDMA信号具有预定频率和预定振幅。在一个方面中，信道器111与矩阵功率放大器109之间的耦接在时分多址时间帧(例如驻留时间)的持续时间内，将由信道器111输出的TDMA信号的全部带宽供至波束天线110。在一个方面中，时间同步模块112B在时分多址时间帧的持续时间内影响待输出至天线波束110的信道器111的全部带宽。例如，在约3比特/Hz时，利用每端口500MHz，具有约40个输出端口的信道器111有效载荷，可以提供具有全部频率和容量灵活性的约60GB容量。在一个方面中，在下行链路发射机模块102内的波束簇和波束天线110的数量与上行链路接收机模块101中的波束簇和波束天线103的数量相等。然而，在其他方面中，下行链路发射机模块102内的波束簇和波束天线110的数量与上行链路接收机模块101中的波束簇和波束天线103的数量不同。

在本公开的一个方面中，一个或多个频率转换器107被布置在信道器输出117与矩阵功率放大器109的输入126之间。频率转换器107基本上类似于本文中描述的频率转换器106。

现在参考图2A，示出了示例性卫星通信系统100A。在图2A中，示出了多个波束簇1至X，波束簇1至X中的每一个对应于波束天线103A_1-Z和波束天线103B_1-Z，其中Z是大于1的任何预定数字。在一个方面中，示出了两组波束天线103A_1-Z和103B_1-Z，但是在其他方面中，存在对应于波束簇1至X的任意预定数量的波束天线103组。波束天线103A_1-Z和103B_1-Z中的每一个耦接至低噪声放大器冗余环104A的输入120(如本文中所描述的)。在本公开的一个方面中，低噪声放大器冗余环104A从每一个波束天线103A_1-Z和波束天线103B_1-Z接收TDMA信号。在一个方面中，每一个低噪声放大器冗余环104A从与波束簇1至X中的一个相关联的波束天线103A_1-Z和波束天线103B_1-Z接收TDMA信号。例如，在一个方面中，低噪声放大器冗余环104A中的一个接收与波束簇1相关联的波束天线103A_1-Z和波束天线103B_1-Z。在其他方面中，低噪声放大器冗余环104A从与多个波束簇1至X相关联的波束天线103A_1-Z和波束天线103B_1-Z接收TDMA信号。低噪声放大器冗余环104A具有连接至TDMA交换机105的交换机输入122的LNA输出121。在一个方面中，一个TDMA交换机105耦接至每一个低噪声放大器冗余环104A。TDMA交换机105中的每一个还具有交换机输出123并且根据来自时间同步模块112B的时间同步信号来交换TDMA信号。在本公开的一个方面中，TDMA交换机105的交换机输出123耦接至位于TDMA交换机105与信道器111之间的频率转换器106，该频率转换器被配置为改变由TDMA交换机105输出的TDMA信号的频率。信道器111具有连接到频率转换器107的信道器输出117。信道器111将产生的TDMA信号输出(例如输出TDMA信号)到位于信道器111与矩阵功率放大器109之间的频率转换器107。应当注意，信道器111的每一个输出117在图2A中示出为连接到单个矩阵功率放大器109。然而，在其他方面中，如在图2B中所示，信道器的每一个输出117通过具有一个或多个输入277以及一个或多个输出278的相应的交换机276耦接至一个以上的矩阵功率放大器109。在一个方面中，针对每一个信道器输出117存在一个交换机276，而在其他方面中，交换机276对于一个以上的信道器输出117是共用的。在一个方面中，交换机276可以通过诸如数字集成或者模拟集成而集成到信道器里。在一个方面中，交换机连接到控制器112并且从控制器接收命令，用于将信道器输出信号引导至连接到相应的交换机276的矩阵功率放大器109中的一个或多个。

矩阵功率放大器109基于来自时间同步模块112B的时间同步信号将TDMA信号输出到矩阵功率放大器109的输出127，输出127连接至对应的下行链路天线波束110A_1-P、110B_1-P。在本公开的一个方面中，如本文中所描述的，矩阵功率放大器109的预定的矩阵功率放大器输入126选择性地映射到矩阵功率放大器109的预定的矩阵功率放大器输出127。矩阵功率放大器109的预定的矩阵功率放大器输出127耦接至对应的下行链路天线波束110A_1-P和天线波束110B_1-P，该天线波束反过来将输出TDMA信号作为TDMA信号197D传输。在一个方面中，示出了两组波束天线110A_1-P和110B_1-P，但是在其他方面中，有对应于波束簇1至Y的任意预定数量的波束天线110组。在一个方面中，波束天线103A_1-Z、103B_1-Z的数量与波束天线110A_1-P、110B_1-P(例如P与Z相同)的数量相同，但是在其他方面中，波束天线103A_1-Z、103B_1-Z的数量与波束天线110A_1-P、110B_1-P的数量不同(例如，P与Z不同)。

现在参考图3，示出了卫星通信系统(诸如卫星通信系统100、100A)的一部分。在该方面中，矩阵功率放大器109由控制器112控制以使下行链路天线波束再成形。例如，命令微调节器109c的移相器109cp选择具有它们的相应输出天线馈送(feed)的单独的输出端口127a-127n，其中选择移相器109cp值以将能量的预定片段从通信信号S1发送到相应的输出端口127a-127n。由移相器109cp发送到输出端口127a-127n的能量的片段馈送至不同的天线以形成单独的片段化通信信号S1a、S1b、S1c、S1d。片段化的通信信号中的至少两个的能量在远场中重新组合以形成组合的天线图案S1’。在一个方面中，组合的天线图案或者天线波束S1’由命令的移相器109cp调节以与在TDMA速率时的多个预定图案一致。在一个方面中，组合的天线波束S1’具有可变的波束宽度，当使用矩阵功率放大器109的单个输出端口实际上将通信信号指向天线未指向的方向时，天线波束S1’在不可用的新方向(例如，指向与来自单个天线的未组合的或者片段化的信号不同的方向)回升(peak up)。在一个方面中，本文中描述的用于微调节器109c的移相器109cp的相移值在通信平台(诸如卫星通信系统100、100A)上由控制器112和/或驱动电路109p根据预定算法计算。在一个方面中，相移值从陆地(或者其他基于大地的)源199以基本上类似于控制信号198的方式被上传并且被存储在存储器112A中，并且例如，由控制器112根据需要重新调用或者实时地使用。

在一个方面中，参考图4，利用矩阵功率放大器或者接收矩阵400替换上行链路接收机模块101中的LNA冗余环104A和高速交换机105。接收矩阵400基本上类似于矩阵功率放大器109，然而在该方面中，接收矩阵400使到来的通信信号而不是离开的通信信号重新成形，并且利用低噪声放大器(LNA)409d替换高功率放大器。例如，信号S1作为组合的天线波束被传输到卫星通信系统100。组合的天线波束S1包括分离形成两个或更多个单独的天线波束S1a、S1b、S1c、S1d的片段化的通信信号，并且单独的天线波束S1a、S1b、S1c、S1d由连接到输入混合矩阵409a的输入426a-426n的天线接收。命令微调节器409c选择输出混合矩阵409b的单独的输出端口427a-427n，其中选择移相器409cp值以将预定的能量的片段从通信信号S1发送到相应的输出端口427a-427n，其中通过天线波束S1a、S1b、S1c、S1d形成的通信信号通过组合或者分离该能量的片段而重新成形以形成通信信号S”。在一个方面中，由移相器409cp发送到输出端口427a-427n的能量的片段馈送信道器111中的不同的输入116(图1A和图2A)，使得该能量的片段通过信道器111传输到预定的下行链路发射机模块102的矩阵功率放大器109。以类似于本文中描述的方式，在驱动电路409p的控制之下，微调节器409c的可控制的移相器409cp选择通信信号(例如，波束)在矩阵功率放大器409内路由，例如通过改变LNA 409d之间的相级数角(其改变通信信号路由的输出端口427a-427n)将每一个输入426a-426n再映射到预定的输出427a-427n。在一个方面中，微调节器409c的组对LNA409d的组的响应进行匹配，使得来自一个或多个LNA409d的信号在输出混合矩阵409b中组合并且汇合至矩阵功率放大器409的单个输出427a-427n。在单个输入上仅存在一个信号的情况下，那么存在一组相位调节，将信号路由到矩阵功率放大器409的输出427a-427n中的任意一个或多个。在一个方面中，以TDMA速率进行通过微调节器409c进行的相位改变，用于通过矩阵功率放大器将通信信号重新路由，同时基本上消除高功率交换并且允许LNA409d基本上同时地以最大效率运行。

现在参考图5A到图5B，示出了卫星通信系统100D的部分。在本公开的一个方面中，信道器111的多个输出117a、117b组合以形成更宽的带宽或者多个频带的波束。在一个方面中，信道器输出117a、117b连接至频率转换器501、502。频率转换器501、502从信道器输出117a、117b接收TDMA信号130、131并且将相应的TDMA信号130、131输出到双工器/组合器503。在一个方面中，频率转换器501、502将TDMA信号130、131偏移为不同的频率。结合双工器/组合器503，频率转换器501、502利用接收相应的本机振荡器频率LO1、LO2，将来自信道器输出117a、117b的TDMA信号130、131复用到相邻的RF带里，形成更宽带宽的波束、多个频带波束或者组合的频带波束132(参见图5B)。来自双工器/组合器503的组合的频带132输出到矩阵功率放大器109的预定的的矩阵功率放大器输入126。在一个方面中，矩阵功率放大器109通过相应的矩阵功率放大器输出127输出到相应的波束天线110A_1-P和110B_1-P(还参见图2A)。在图5A中示出的方面中，两个信道器输出117a、117b通过双工器/组合器503组合。然而，在其他方面中，任意预定数量的信道器输出117可以通过双工器/组合器503组合。

现在参考图6A和图6B，示出本公开的又一个方面。在一个方面中，信道器111、混合MPA输入矩阵109a以及至少微调节器109c、移相器109cp和驱动电路109p集成到数字模块901里。在其他方面中，低噪声放大器104、频率转换器106、频率转换器107、TDMA交换机105、信道器111、矩阵功率放大器109、卫星控制器112中的任何或者其任何部分可以组合并且实现为数字信号处理计算机的数字模块中的部分。在图6A中示出的示例性卫星通信系统100E的部分中，数字模块901包括信道器111、矩阵功率放大器109的混合MPA输入矩阵109a、微调节器109c的组(包括可控制的移相器109cp)以及驱动电路109p。在图6B中示出的示例性卫星通信系统100F的部分中，频率转换器106、TDMA交换机105、信道器111、卫星控制器112、矩阵功率放大器109的混合MPA输入矩阵109a、微调节器109c的组(包括可控制的移相器109cp)以及驱动电路109p实现为数字模块1000。

现在参考图1A、图1C、图2A以及图7，示出卫星通信系统100的操作的示例性流程图。在框700中，从卫星通信系统100的至少一个波束天线接收输入通信信号。例如，在一个方面中，TDMA交换机105利用交换机输入122从波束天线103接收输入TDMA信号。在本公开的一个方面中，TDMA交换机105还从卫星控制器112的时间同步模块112B接收时间同步信号。时间同步信号确定通过TDMA交换机105接收的TDMA信号如何交换至TDMA交换机105的交换机输出123。在框701中，TDMA交换机105将输入TDMA信号传输到信道器111。在一个方面中，信道器111对于通过信道器111从TDMA交换机105接收的输入TDMA信号提供频分复用，并且根据来自卫星控制器112的控制信号生成输出TDMA信号。在框702中，信道器111将输出TDMA信号传输到矩阵功率放大器109的输入混合矩阵109a(例如，利用输入混合矩阵109a从信道器111接收输出通信信号)。在框703中，通过改变输出通信信号的相位，输出通信信号以上述方式可选择地路由/重新路由到预定的矩阵功率放大器的输出混合矩阵109b的输出。

描述本文中所阐述的方法的操作的公开及附图不应解释为必须确定操作执行的次序。相反，尽管指示了一个说明性的顺序，应当理解当合适时可以修改操作的次序。因此，某些操作可以以不同的顺序或者同时执行。另外，在本公开的一些方面中，不是本文中描述的所有操作都需要执行。

本公开的实例可以在如图8所示的太空船制造和服务方法800以及如图9所示的太空船902的背景下描述。在预生产期间，说明性方法800可以包括太空船902的规格和设计804以及材料采购806。在生产期间，进行太空船902的部件及子组件制造808以及系统集成810。其后，太空船902可以通过认证和交付812以投入使用814。在客户使用同时，太空船902计划进行日常维护和保养816(也可以包括修饰、重新配置、翻新等)。

可以执行或者可以通过系统集成商、第三方和/或运营商(例如客户)执行说明性方法800的过程中的每一个。为了描述的目的，系统集成商可以包括而不限于任意数量的太空船制造商和主系统分包商；第三方可以包括而不限于任意数量的销售商、分包商以及供应商；以及运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

如图9所示，通过说明性方法800生产的太空船902可以包括具有多个高级系统的机身918和内部922。遍布太空船的高级系统的实例，包括推进系统924、电力系统926、液压系统928以及环境系统930中的一个或多个和卫星通信中继系统931。可以包括任意数量的其他系统。尽管示出航天实例，但本发明的原理可以应用于其他工业，诸如海运业。

在制造和服务方法800的任意一个或多个阶段期间，可以采用本文中示出或者描述的系统和方法。例如，当太空船902在使用中时，可以以类似于生产部件或者子组件的方式制备或者制造对应于部件和子组件制造808的部件或者子组件。同样，例如，在制造阶段808和810期间，可以利用系统、方法或者其组合中的一个或多个方面，显著地加快太空船902的组装或者减小太空船902的成本。类似地，当太空船902在使用中时(例如运行、维护以及保养816)，可以利用例如并且不限于系统或者方法实现中的一个或多个方面或者其组合。

本文中公开的系统和方法的不同的实例和方面包括各种部件、特征以及功能。应当理解，本文中公开的系统和方法的各种实例和方面可以以任意组合包括本文中所公开的系统和方法的任何其他实例和方面的任何部件、特征以及功能性，并且所有这种可能性意指在本公开的精神和范围内。

本文中阐述的本公开的许多变形及其他实例将使本公开所属领域内的普通技术人员获知在上述描述和相关联的附图中呈现的教导的益处。

如本文中所描述，例如，所公开的实施方式的方面减小卫星通信系统100的高功率部分的复杂性和成本，同时使可用的RF功率路由至具有各种容量需求的数量不断增加的天线波束110的灵活性最大化。所公开的实施方式的方面提供更大容量、高效带宽利用、重量减少、电力消耗减少以及波束分配灵活。本文中描述的矩阵功率放大器109、409替换需要用于数字交换的复杂的微波输入和输出复用器过滤网络。所公开的实施方式的方面还简化高吞吐量卫星有效载荷并且增加通过容量，反过来降低卫星的成本和建造时间，并且使每比特成本和终端用户成本最小化。

根据本公开的一个或多个方面，通信系统包括：通信平台；以及下行链路通信模块，连接到通信平台并且具有矩阵功率放大器，矩阵功率放大器包括输入混合矩阵、输出混合矩阵、布置在输入混合矩阵与输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵和输出混合矩阵通信的高功率放大器的组、以及布置在输入混合矩阵与输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵和输出混合矩阵通信的调节器的组；以及驱动电路，连接到调节器的组中的每一个调节器，驱动电路被配置为命令每一个调节器以时分多址速率修改通过矩阵功率放大器的通信信号。

根据本公开的一个或多个方面，存在与每一个高功率放大器相对应的调节器。

根据本公开的一个或多个方面，调节器被布置在对应的高功率放大器的上游。

根据本公开的一个或多个方面，调节器被布置在对应的高功率放大器的下游。

根据本公开的一个或多个方面，所述调节器的组被配置为对所述高功率放大器的组的响应进行匹配以在所述输出混合矩阵中以预定的组合来组合所述通信信号，其中，所组合的通信信号汇合至所述矩阵功率放大器的单个输出。

根据本公开的一个或多个方面，每一个所述调节器被配置为在所述输入混合矩阵的每一个输入再映射至所述输出混合矩阵的预定输出时改变所述通信信号的相位。

根据本公开的一个或多个方面，通信系统还包括至少一个下行链路天线波束，其中输出混合矩阵的每一个输出耦接至相应的下行链路天线波束。

根据本公开的一个或多个方面，所述调节器的组被配置为使所述输出混合矩阵的至少一个输出以时分多址速率相对于所述输入混合矩阵的至少一个输入可选择地再映射并且免于高功率输出交换。

根据本公开的一个或多个方面，高功率放大器的组中的每一个所述高功率放大器同时运行。

根据本公开的一个或多个方面，通信信号是射频信号或者光信号。

根据本公开的一个或多个方面，矩阵功率放大器包括：输入混合矩阵，具有一个以上输入；输出混合矩阵，具有一个以上输出；高功率放大器的组，布置在输入混合矩阵和输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵和输出混合矩阵通信；调节器的组，布置在输入混合矩阵与输出混合矩阵之间并且至少与输入混合矩阵和输出混合矩阵通信；以及连接到调节器的组中的每一个调节器的驱动电路，驱动电路被配置为命令每一个调节器以时分多址速率修改穿过矩阵功率放大器的通信信号。

根据本公开的一个或多个方面，存在与每一个所述高功率放大器相对应的所述调节器。

根据本公开的一个或多个方面，调节器布置在对应的高功率放大器的上游。

根据本公开的一个或多个方面，调节器布置在对应的高功率放大器的下游。

根据本公开的一个或多个方面，所述调节器的组被配置为对所述高功率放大器的组的响应进行匹配以在所述输出混合矩阵中以预定的组合来组合所述通信信号，其中，所组合的通信信号汇合至所述矩阵功率放大器的单个输出。

根据本公开的一个或多个方面，每一个所述调节器被配置为在所述输入混合矩阵的每一个输入再映射至所述输出混合矩阵的预定输出时改变所述通信信号的相位。

根据本公开的一个或多个方面，所述调节器的组被配置为使所述输出混合矩阵的至少一个输出以时分多址速率相对于所述输入混合矩阵的至少一个输入可选择地再映射并且免于高功率输出交换。

根据本公开的一个或多个方面，高功率放大器的组中的每一个高功率放大器同时运行。

根据本公开的一个或多个方面，通信信号是射频信号或者光信号。

根据本公开的一个或多个方面，通信方法包括：将通信信号输入矩阵功率放大器的输入混合矩阵；以及通过以时分多址速率修改所述通信信号来将所述通信信号选择性地重新路由至所述矩阵功率放大器的输出混合矩阵的预定的输出。

根据本公开的一个或多个方面，通信信号是射频信号或者光信号。

根据本公开的一个或多个方面，在通信信号进入矩阵功率放大器的高功率放大器之前，修改通信信号。

根据本公开的一个或多个方面，修改通信信号包括改变通信信号的相级数角。

根据本公开的一个或多个方面，方法进一步包括通过使所述通信信号相移而形成组合的天线图案，以将能量的预定片段发送至所述矩阵功率放大器的预定数量的输出端口以馈送不同的波束天线，其中，所述能量的预定片段重新组合以形成所述组合的天线图案。

根据本公开的一个或多个方面，通信信号的修改是数字修改。

因此，应当理解本公开不限于所公开的具体实施方式，并且变形和其他实施方式旨在包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管上述描述和相关联的附图在元件和/或功能的某些说明性组合的背景下描述示例实施方式，应当理解，在不背离所附权利要求的范围的情况下，可以通过可替换的实现提供元件和/或功能的不同组合。