微波开关及功率放大器热备份与互助系统及其实现方法技术方案

一种微波单刀双掷开关，用于无线射频系统或微波系统中，由多段传输线和多个开关器件按一定拓扑结构连接而成，该微波单刀双掷开关具有信号切换及功率分配与合路功能，并且具有电路简单，端口无反射信号或阻抗匹配特性好等优点，因此具有很强的实用性。本发明专利技术还公开了一种利用所述微波单刀双掷开关实现Ｎ个扇区射频功率放大器的热备份与互助功能的系统，该系统各扇区共用一个备份功率放大器，当系统中某一扇区的功率放大器出现故障时，备份的功率放大器在不停电停机的情况下，立即替代出故障的功率放大器工作，并且各扇区之间具有很高的隔离度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信
，尤其涉及通讯设备中具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关结构；以及在无线接入及微波系统中采用该结构微波开关实现的射频功率放大器的N+1热备份与互助系统及其实现方法。
技术介绍
微波单刀双掷开关广泛应用于无线射频系统或微波系统中，进行信号的切换。功分器也在射频系统中得到广泛应用，将某一输入功率按一定的比例分配到各分支电路中，或者反过来用于功率合路。在低频电路中，由于波长远大于传输线或元件尺寸，属于集总参数电路，任何时刻，传输线上的各点电位处处相等，但在微波领域，随着波长缩短至与传输线长度相比拟的程度，传输线的特性就完全不同了，传输线上的电位不是处处相等的。例如，25％波长的传输线，在微波电路是一个重要的分布参数元件。如图1所示，端口一到端口二之间的传输是主信号通路，如果有一段25％波长的传输线也接在这段主信号通路，且另一端短路，相当于这段25％波长的传输线对微波信号没有作用，虽然传输线终端是对地短路点，但在传输线上相隔25％波长的地方，就一定是对地开路点。与低频电路不一样，在图1中，微波信号不会跑到接地点消失，而只能从端口一顺利传输到端口二，也能从端口二顺利传输到端口一。利用传输线的这种特征，把接地点换成开关，就成为微波开关电路。如图2所示，常用的微波单刀双掷开关由三段特征阻抗为Z0的传输线呈星形接法，连接在一起，当开关器件SW1闭合、SW2断开时，端口一与端口三是连通的；当SW1断开、SW2闭合时，端口一与端口二是连通的，开关器件SW1、SW2可采用微波PIN二极管。由此可见，在端口一输入微波信号时，单刀双掷开关只有两种状态，一种状态是端口二有信号、端口三无信号，另一种状态是端口三有信号、端口二无信号。若按照低频电路的思路，SW2、SW3同时断开时，端口一的信号能到达端口二，也能到达端口三，但这种电路状态有很大的缺点在图2中的A点“三岔口”处，阻抗不连续，从任一端口向内传输的微波信号，都会有反射信号到输入端，并且理论上可计算出，任意端口的回波损耗都是-9.5dB，这个指标太差了，而常规微波设备的回波损耗指标的一般要求是至少优于-18dB，因此根本不具有实用价值。很明显，这种单刀双掷开关的功率分配与合路功能很差，不能应用于放大器热备份与互助系统。现有技术中还有一种用微波电子开关芯片或微波继电器、功分器组合出一种拓朴结构，可以实现微波信号的切换、信号的分路与合路功能，但电路复杂，使用器件多，从而导致可靠性下降、成本上升。射频功率放大器广泛应用在无线接入及微波系统中，进行信号的放大，在系统中是一个重要的部件，在CDMA无线接入多载波系统中，如果某个扇区的功放有故障，这个扇区的手机用户就打不通电话，将对移动通信运营商的服务质量产生负面影响，所以，CDMA无线接入多载波系统对功率放大器的稳定性和可靠性提出了很高的要求。但功率放大器工作在大电流、高电压状态，热环境也不好，容易出问题。所以要开发功率放大器的热备份技术，以提高稳定性。以下都以三扇区为例。如图3所示，常规的技术是每个扇区都有至少一个功率放大器，任何一个功率放大器都是只放大本扇区的输入信号，与其它扇区信号无关，功率放大器之间没有关系，互相隔离。IN1的输入信号经功率放大器PA1放大后，到达某扇区的天馈S1，IN2的输入信号经功率放大器PA2放大后到达S2，同样，IN3的输入信号经功率放大器PA3放大后到达S3。如果PA1损坏，则本扇区无信号输出，本扇区的所有终端移动用户都无法接入系统。这样会损害移动运营商的信誉，同样对设备制造商的信誉有不利的影响。这种常规的无热备份和互助装置的方案，要求功率放大器有很高的可靠性。目前，有一种功率放大器热备份与互助技术方案，如图4所示。该技术方案采用了3dB电桥耦合器混合矩阵，(以4×4矩阵为例说明)，由前混合矩阵、功率放大器矩阵、后混合矩阵组成。与传统的无热备份和互助技术方案不同的是，功率放大器矩阵中的任何一个功率放大器，都共同放大三个扇区的输入信号。前混合矩阵起分路作用，后混合矩阵起合路作用。其工作原理如下输入信号IN1经过前混合矩阵，分成四路幅度相等、相位按次序各相差90度的信号，分别到达四个功率放大器的输入端。四路信号经过放大后，再输入到同样结构的后混合矩阵，合成为一路信号，到达扇区1的天馈S1。由于各路信号间存在按次序相位差90度的关系，在理想情况下，IN1的信号经分路、放大、合路后，不会在天馈S2、S3端口输出，也不会在匹配电阻上有信号。同样的道理，IN2的输入信号仅在S2端输出信号，不会在其它端口输出信号；而IN3的输入信号仅在S3端输出信号，不会在其它端口输出信号。与传统的无热备份与互助功能的方案相比，本方案如果不考虑合分路的损耗，理论上每扇区输出到天馈的信号功率都可提高1.23dB。采用上述技术方案，当其中任何一个功率放大器失效后，剩下的三个功率放大器仍正常工作，IN1的输入信号经过此系统放大后，可到达扇区1的天馈S1。IN2、IN3输入信号也同样分别到达S2、S3。三个扇区的手机用户都能接入系统，不会出现在常规技术方案中，某扇区所有手机用户无法接入系统的情况，可以实现功率放大器的热备份及互助。但是，由于在前混合矩阵分路时，要求每路信号都分成四路幅度相等、相位相差各90度的信号，这样混合信号在后混合矩阵合路时，仅是靠信号间幅度和相位差的关系来抵消非本扇区的信号，因此对信号幅度和相位的要求非常高，下述因素都会导致抵消不彻底而发生扇区间串扰现象，造成扇区隔离度下降。这是一个致命的缺陷，所以没有大规模推广开来。影响分合路时的幅度和相位关系而导致抵消不彻底的因素有1、设计和工艺加工上的原因，3dB电桥耦合器的耦合度，不是理想的3dB。2、即使是理想的3dB电桥耦合器，也只有在中心频率点才同时符合相位和耦合度要求，偏离中心频率，幅度和相位差在理论上就不能同时符合要求。3、前混合矩阵中的A1、A2、A3、A4四段传输线的电长度如果不一致，会导致附加的相位差。4、连接前混合矩阵与功率放大器间的传输线B1、B2、B3、B4的电长度不一致，会导致附加的相位差。5、连接后混合矩阵与功率放大器间的传输线C1、C2、C3、C4的电长度不一致，会导致附加的相位差。6、后混合矩阵中的D1、D2、D3、D4四段传输线的电长度不一致，会导致附加的相位差。7、功率放大器PA1、PA2、PA3、PA4之间的特性不一致，主要是增益和相位差，这个要求非常高。功率放大器一定要经过严格的挑选配对，一般要求增益差在0.5dB内，相位差在5度以内。由此可见，该技术方案对工艺及器件一致性要求极高，近乎苛刻，否则扇区间的隔离度很难做到25dB，而这个指标已经满足不了CDMA系统的协议要求，更远远满足不了特殊扇区配置条件下的邻频干扰要求。除此而外，当系统在商用过程中，需要更换其中一个功率放大器时，则要找到与更换的功率放大器增益和相位完全一致的功率放大器才行，一般要找到同一个厂家的同批次产品，或者，四个功率放大器都要同时更换成经过挑选配对的，器件的互换性差也限制了该方案的推广和采用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种微波单刀双掷开关拓扑结构，该结构的微波单刀双掷开关既具有信号切换功能，又可以实现功率分配与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有功率分配与合路功能的微波单刀双掷开关，包括多段传输线及多个开关器件；其特征在于：第四传输线的第一端与第一传输线及第二传输线的第一端互相连接，形成合路端口；且第四传输线的第二端与第六传输线及第七传输线的第一端互相连接，其相交处与地之间连接第三开关器件；第三传输线的第一端与第一传输线的第二端连接，并且其相交处与地之间连接第一开关器件；第三传输线的第二端与所述第六传输线的第二端相接，形成第一分路端口；第五传输线的第一端与第二传输线的第二端连接，并且其相交处与 地之间连接第二开关器件；第五传输线的第二端与所述第七传输线的第二端相接，形成第二分路端口。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何平华，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]