(57)【要約】【課題】改善された、冗長性を有する電力増幅器システムを提供する。【解決手段】アンテナ・システムは、分割器入力信号を受信すると共に複数の分割器出力信号を生成する、分割器を搭載している。複数の増幅器が、分割器出力信号のなかでそれぞれのものを受信して、それぞれの増幅された出力を生成する。結合器は、複数の増幅された出力をアンテナ信号に変成する。アンテナは、アンテナ信号を受信して送信する。アンテナ信号の電力は、結合器と通信する増幅された出力の数の関数である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅器システムであって、
送信器と、
それぞれの増幅された出力を生成する、複数の増幅器と、
複数の入力信号を前記の増幅器のそれぞれの入力に選択的に切り替える、第１のスイッチング回路と、
前記それぞれの増幅された出力を選択的に切り替えて、前記の送信器によって受信されかつ送信される送信信号を生成する、第２のスイッチング回路において、前記の送信信号の電力が前記の送信器と通信する前記の増幅された出力の数の関数である、第２のスイッチング回路とを含む、電力増幅器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力増幅器システムに関する。それは、動的な電力増幅器システムに関連する特定の応用分野を参照して説明される。しかし、本発明は、他の類似のアプリケーションにも応用できることが理解されるだろう。
【背景技術】
【０００２】
無線電力が最適の効率で広い角度の範囲で１つ又は複数のビームを電子的にスキャンして放射（又は受信）される時に、受動性アンテナ又は能動性アンテナのどちらかを用いることができる。受動性アンテナは、移相器又はスイッチあるいその両方と共に固定型の又は可変型の電力分割器の前に主増幅器を備えている。能動性アンテナは、無線周波数増幅器を備えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のシステムでは、アンテナは対応する方向で放射するように配置されている。例えば、３つのアンテナが、３６０度の角度範囲の３つのそれぞれセクタに送出するように配置されている（すなわち、各々のセクタが１２０度を含んでいる）。増幅器のそれぞれのセットは各々のセクタのアンテナに電気的に接続されている。増幅器の各々のセットは、信号がアンテナから送信される前に、それぞれの源信号の電力を高める。源信号の任意の１つに含まれている電力の最大量は、それぞれのセットの各々の増幅器の数の関数になる。
【０００４】
前述のように、従来のシステムの増幅器の各々は、特定のアンテナと通信するだけであり、システムのアンテナの別のものに選択的に切り替えることができない。従って、増幅器によって提供される電力を、アンテナ間で選択的に割り当てることはできない。
【０００５】
システムの各アンテナは増幅器の１セットと通信するだけであるとすると、任意のあるアンテナからの電力出力は、セットの増幅器の数の関数になる。言い換えれば、アンテナは、増幅器の別のセットの増幅器と通信できないことになる。従って、増幅器の１つが故障すると、故障した増幅器に接続するアンテナの電力出力が、それにともなって低下する。
【０００６】
故障した増幅器を補償する１つの方法は、冗長性にすることである。冗長性にする場合に、アンテナと通信する増幅器の各々セットに更なる増幅器を加えることが考えられる。追加した増幅器は、セット内の増幅器の１つ又は複数が故障しない限り用いられない。特に、追加増幅器は、主要な増幅器の１つ又は複数が故障しない限り“オフ”状態に維持される。この点で、追加増幅器は、主要な増幅器のバックアップ用として機能する。従って、セット内の主要な増幅器の１つが故障すると、追加増幅器が、故障を償うためにオンにされる。
【０００７】
冗長性は、１つ又は複数の増幅器が故障する場合でもバックアップ増幅器を提供するが、従来の冗長性を実行すると、アンテナ・システムの総コストと重量もまた増大させる。特に、冗長性にすると、典型的にはアンテナ・システムの増幅器の総数が増える。コストと重量の増加は好ましいことでない。そこで、アンテナ・システムの増幅器の総数を増加せずに、冗長性を提供する必要性がある。
【０００８】
本発明は、前述の問題と他の問題とを解決する、新しい改善された装置と方法とを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
電力増幅器システムは、送信器と、それぞれ増幅出力を生成する複数の増幅器とを備えている。第１のスイッチング回路は、複数の入力信号を増幅器のそれぞれ入力に切り替える。第２のスイッチング回路は、それぞれの増幅出力を切り替えて、送信器が受け入れて送信する、送信信号を生成する。送信信号の電力は、送信器と通信する増幅出力の数の関数になる。
【００１０】
本発明の１つの長所は、冗長性の増幅器が効率的に提供されることにある。
【００１１】
本発明の別の長所は、システムのアンテナのそれぞれの電力をユーザが選択的にセットできることにある。
【００１２】
本発明の更なる別の長所は、好ましい実施例について次に示す詳細な説明を読み理解することによって、当業者には明らかになるだろう。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば改善された、冗長性を有する電力増幅器システムが提供される。
【実施例】
【００１４】
本発明は、種々の構成要素と、構成要素の配置、種々のステップ、ステップの構成から具体的に実現される。図面は、好ましい実施例を図示することだけ意図しており、本発明を限定するものでない。
図１を参照すると、アンテナ・システム１０は９つのキャリア・スイッチ１２を備えている。キャリア・スイッチ１２は単極双投の無線周波数スイッチであると都合がよい。しかし、他のスイッチも、マイクロ波又は高周波信号を送信できるならば可能である。キャリア・スイッチ１２の各々が、それぞれのキャリア入力１４と、２つのキャリア出力１６のセットとを備えている。各々のキャリア入力１４は、入力チャンネル（すなわち、周波数）信号を２つまで受信する。好ましい実施例では、入力信号は無線周波数（“ＲＦ”）信号である。しかし、マイクロ波又は高周波信号も可能と考えられる。キャリア・スイッチ１２は、それぞれのキャリア入力１４で受信したＲＦ信号を、２つのキャリア出力１６の１つに切り替える。
【００１５】
制御回路１８は、それぞれの入力１４をそれぞれキャリア出力１６のなかの１つに切り替えて、キャリア・スイッチ１２を電気的に制御する。次に詳述するように、キャリア・スイッチ１２の設定は、システム１０の３つのそれぞれのアンテナ２２から送信されたそれぞれの信号の電力を定める幾つかのファクタのなかの１つである。制御回路１８は、アンテナ２２から送信された信号のそれぞれの電力を選択的に得るために、ユーザが設定できることが分かる。好ましい実施例では、アンテナ２２の各々が、３６０度の範囲の３つのセクタのなかの１つの信号を送信する（例えば、各々アンテナが１２０度をカバーする範囲で信号を送る）。従って、制御回路１８を経由してそれぞれのセクタで送信された信号の電力を選択的に制御できる。このように、システム１０は、動的な増幅器システムになると考えられる。
【００１６】
３つの能動性／受動性結合器２４がキャリア・スイッチ１２と通信する。能動性／受動性結合器２４の各々が、６つの入力２６と１つの出力２８とを各々備えている。それぞれのキャリア・スイッチ１２の各々のための２つのキャリア出力１６の各々が、能動性／受動性結合器２４のなかで別個の１つと通信する。特に、図１に示すように、キャリア・スイッチ１２1のキャリア出力１６1の１つが能動性／受動性結合器２４1と通信するが、他のキャリア出力１６1は能動性／受動性結合器２４2と通信する。キャリア・スイッチ１２と能動性／受動性結合器２４との間で残っている接続部が、図１に図示してある。
【００１７】
図１に示す好ましい実施例では、能動性／受動性結合器２４の各々が、種々のキャリア・スイッチ出力１６から６つのＲＦ信号を受信する。能動性／受動性結合器２４は、６つのそれぞれのＲＦ信号を結合し、それぞれの能動性／受動性結合器出力２８において各々能動性／受動性結合器出力信号を形成する。信号は、制御回路１８から受信された制御信号に準じて、能動性／受動性結合器２４で結合される。特に、制御回路１８は、例えば、１つの能動性／受動性結合器２４の６つの入力信号のなかの３つだけ、それぞれの能動性／受動性結合器出力信号を形成するように結合させる。
【００１８】
能動性／受動性結合器出力２８は、３つの分割器３４のそれぞれの入力３２に対する分割器入力信号として機能する。入力３２に加えて、分割器３４の各々が、４つの出力３６のそれぞれのセットを備えている。各分割器は４つの出力のセットを好都合に含んでいるが、分割器が多い、あるいは少ない出力を含んでいる他の実施例も考えられる。
【００１９】
分割器３４は、それぞれの入力信号を、それぞれの分割器出力３６で希望された数の分割器出力信号に分ける（すなわち分割する）。特に、分割器入力信号の電力は、それぞれの分割器３４の各々の４つの出力３６のなかで分割される。更に、分割器出力３６の各々の各々負荷を定める、制御回路１８は、分割器出力信号の各々インピーダンスを、それぞれ分割器出力３６に対して定めた負荷と実質的にマッチさせる。このように、分割器出力信号の電力が効率的に転送される。このために、分割器３４は“スマート”分割器と呼ばれる。それぞれの分割器入力信号は好ましい実施例の４つの出力３６のなかで分割されるが、分割器入力信号が分割器出力の最大数より少ない数に分割される他の実施例も可能なことが理解できるだろう。
【００２０】
それぞれの分割器３４の４つの出力３６のそれぞれが、それぞれの入力スイッチ４２の複数の入力３８のなかの１つと通信する。更に、それぞれの分割器３４からの分割器出力３６のなかで、せいぜい１つが、同じ入力スイッチ４２と通信する。好ましい実施例では、システム１０は６つの入力スイッチ４２を備えている。入力スイッチ４２の各々が、２つの入力３８と１つの出力４４とを備えている。また、入力スイッチの各々が、無線周波数信号を送る単極双投スイッチである。しかし、入力スイッチが、他の数の入力を含んでいるか、又はマイクロ波又は高周波信号を送信するか、或いはその両方である、他の実施例も考えられる。
【００２１】
制御回路１８は、入力スイッチ４２を制御し、それぞれの入力信号をそれぞれの増幅器４６に送る。特に、図１に示す実施例では、分割器出力３６1、３６3の各々の１つが入力スイッチ入力３８1の１つと通信する。アンテナ２２の所望の出力電力に基づいて、制御回路１８は、入力スイッチ４２の各々の入力３８の１つを、それぞれの入力スイッチ出力４４を経由してそれぞれの増幅器４６と通信させる。例えば、制御回路１８は、１つの入力３８1を入力スイッチ出力４４1を介して増幅器４６1と通信させる。
【００２２】
制御回路１８は、増幅器４６の各々に対する電力を独自に制御する。このように、信号が入力スイッチ４２1に送られないので、信号が増幅器４６1に転送されない場合に、制御回路１８は増幅器４６1に対する電力を停止できる。他の増幅器４６に対する電力も同様に制御される。従って、ある増幅器４６がアンテナ２２から送られたそれぞれの出力信号の所望の電力の達成に必要でない場合、これらの増幅器４６は好都合にオフにされる。
【００２３】
使用中に、増幅器は直流電力を消費する。用いない増幅器をオフにすると、システム１０の直流とＲＦの効率とを共に高めることができる。更に、増幅器に対する電力を選択的に制御できることが、システム１０における効率的な冗長性を可能にする。特に、増幅器がシステムの任意のアンテナに選択的に切り替えられるので、追加の増幅器が各アンテナに対して不要になる。従って、ある増幅器が故障しても、システムの任意の他の増幅器を用いると、任意のアンテナから信号出力の電力をブーストできる。
【００２４】
各々増幅器４６のそれぞれの出力４８は、複数の出力スイッチ５２と通信する。各々出力スイッチ５２は複数の出力５４を備えている。好ましい実施例では、出力スイッチ５２の各々が、単極双投スイッチを具備して、無線周波数信号を送信し、単一入力と２つの出力５４とを備えている。しかし、出力スイッチが、マイクロ波又は高周波信号を送るか又は他の数の出力を含んでいるか或いはその両方を可能にする、他の実施例も考えられる。制御回路１８は、出力スイッチ５２のそれぞれに、信号をそれぞれの入力からそれぞれの出力５４の１つに送信させる。
【００２５】
各それぞれの出力スイッチ５２の出力５４の各々が、複数の結合器５６のなかで別のものと通信する。好ましい実施例では、各々が４つの入力５８を有する３つの結合器５６が、出力スイッチの出力５４と通信する。好都合に、各それぞれの出力スイッチ５２に対する出力５４の各々が、異なる結合器５６と通信する。例えば、出力スイッチ５２1に対する出力５４1の１つが結合器５６1と通信し、一方では出力５４1の他のものが結合器５６3と通信する。
【００２６】
結合器５６は、それぞれの結合器入力５８で受信した信号を集計し、結合器出力６２でそれぞれのアンテナ信号を生成する。アンテナ信号は、アンテナ２２から送信される前に、それぞれのフィルタ６４を好都合に通る。制御回路１８は、結合器５６に、結合器入力５８で受信した信号を集計させて、アンテナ２２と実質的に整合するそれぞれのインピーダンスをもつ。従って、信号の電力は、最大効率でアンテナ２２に送られる。
【００２７】
前述のように、アンテナ信号の電力は制御回路１８で管理される。好都合に、ユーザは、制御回路１８を設定して、アンテナ信号の各々に適した所望の電力出力にする。そこで、制御回路１８は、種々の接続部とスイッチとを作動して、ある入力周波数信号をキャリア入力１４から、種々の結合器２４、５６と、分割器３４と、増幅器４６と、スイッチ４２、５２と、増幅器４６とを経由して送り、所望の結果を達成する。
【００２８】
結合器出力６２の各々に対するそれぞれの負荷を定める制御回路１８は、結合器出力信号の各々インピーダンスを、それぞれのアンテナ２２に対して定められた負荷と実質的に整合させる。このようにして、結合器出力信号の電力が効率的に転送される。そこで、結合器５６が“スマート”結合器と呼ばれる。
【００２９】
図１に示す実施例では、９つのＲＦキャリアが、結合され、分割されて、最終的に３つのアンテナ２２に送られる。各々アンテナ２２は、６つのキャリアの結合信号を送信できる。スマート結合器５６が４つの入力５８を含んでいるので、各々アンテナ２２は、４つまで電力増幅器４６をサポートできる。第１のスイッチング回路６５がキャリア・スイッチ１２と結合器２４と分割器３４と入力スイッチ４２をアンテナ・システム１０内に含むことを理解すべきである。更に、第２のスイッチング回路６７が出力スイッチ５２と結合器５６は、アンテナ・システム１０内に含んでいる。
【００３０】
図１および図２を参照すると、キャリア・スイッチ１２が、ステップＡで切り替えられ、それぞれのキャリア入力信号を１つの能動性／受動性結合器２４に出力する。それぞれの結合器入力信号は、ステップＢで能動性／受動性結合器２４を介して結合されて、それぞれの分割器入力信号を形成する。それぞれの分割器入力信号がステップＣで分割器３４に受信される。分割器出力信号が、ステップＤで分割器３４から生成される。分割器出力信号のセットが、ステップＥでそれぞれの入力スイッチ４２に受信される。信号が、スイッチＦでそれぞれの入力スイッチ出力に切り替えられる。
【００３１】
信号が増幅器４６に受信され、それぞれの増幅出力がステップＧで生成される。増幅出力が、ステップＨでそれぞれの出力スイッチ出力のなかの１つに切り替えられる。出力スイッチの出力が、ステップＩでそれぞれのアンテナ信号に、少なくとも２つの結合器を経由して転送される。それぞれのアンテナ信号が、ステップＪでアンテナ２２に受信される。アンテナ信号が、ステップＫでそれぞれのアンテナ２２から送信される。
【００３２】
図３〜６は、５つの入力と単一出力とを有する結合器と通信する、種々の数の増幅器とＲＦスイッチとを備えている、本発明の他の実施例を示す。図３〜６に示す実施例は、図１に示したような回路が多かれ少なかれ、増幅器を具備するように容易に拡大又は縮小できる概念として示している。図３〜６に示す回路は、図１に示した回路１０のそれぞれの部分１００に対応する部分回路であることが分かる。図３〜６に示す回路に対する入力を生成するために用いる構成要素（例えば、入力スイッチ４２）のそれぞれの数は、増幅器の各々の数に基づいて変わる。更に、それぞれの制御回路は図３〜６に図示してないが、このような回路は、図１に示した制御回路１８のように、図３〜６のそれぞれの回路の動作を管理するために用いられることが分かる。
【００３３】
図３は、３つの増幅器１１２を備えた回路１１０を示す。３つの出力スイッチ１１４がそれぞれの増幅器１１２に電気的に接続している。出力スイッチ１１４の各々が単一入力と２つの出力１１６とを備えている。各それぞれの出力スイッチ１１４の出力１１６の各々が、３つの５方向結合器１１８のなかの別個の１つに接続している。５方向結合器１１８の各々が、５つの入力１２２と単一出力１２４とを備えている。出力１２４は、フィルタ１２８を介してそれぞれのアンテナ１２６に接続している。図１に示した実施例のように、結合器１１８は、入力信号を結合して、それぞれの出力１２４の負荷に実質的に整合したインピーダンスを有する出力信号を生成する。
【００３４】
３つの出力スイッチ１１４があり、各々が２つの出力１１６を備えているので、結合器１１８の各々が、５つのそれぞれの入力１２２のなかの２つを用いる。従って、各々増幅器１１２が２０ワットを出力すると、アンテナ１２６の各々が、ゼロ（０）と４０ワットとを含めた範囲で信号を出力する。しかし、全ての３つのアンテナからの総電力出力が６０ワットを越えない（すなわち、３つの増幅器で、各々が２０ワットを生成）ことを理解すべきである。
【００３５】
図４は、６つの増幅器１５２を有する回路１５０を示す。６つの出力スイッチ１５４がそれぞれの増幅器１５２に電気的に接続している。出力スイッチ１５４の各々が単一入力と２つの出力１５６とを備えている。各それぞれの出力スイッチ１５４の出力１５６の各々が、３つの５方向結合器１５８のなかで別個の１つに接続している。５方向結合器１５８の各々が、５つの入力１６２と単一出力１６４とを備えている。
【００３６】
６つの出力スイッチ１５４があり、各々が２つの出力１５６を備えているので、
結合器１５８の各々が、５つのそれぞれの入力１６２のなかの４つを用いる。従って、各々の増幅器１５２が２０ワットを出力すると、アンテナ１６６の各々が、ゼロ（０）と８０ワットとを含めた範囲で信号を出力する。しかし、全ての３つのアンテナからの総電力出力が１２０ワットを越えない（すなわち、６つの増幅器で、各々が２０ワットを生成）ことを理解すべきである。
【００３７】
図５は、９つの増幅器２０２を備えた回路２００を示す。６つの出力スイッチ２０４がそれぞれの増幅器２０２に電気的に接続している。出力スイッチ２０４の各々が単一入力と２つの出力２０６とを備えている。各それぞれの出力スイッチ２０４に対する出力２０６の各々が、３つの５方向結合器２０８のなかの別個の１つに接続している。５方向結合器２０８の各々が、５つの入力２１２と単一出力２１４とを備えている。増幅器のなかの３つがそれぞれの結合器２０８に直接接続している。このように、結合器２０８の各々の５つの入力２１２の各々が用いられている。出力２１４は、フィルタ２１８を介してそれぞれのアンテナ２１６に接続している。図１に示した実施例のように、結合器２０８は、入力信号を結合して、それぞれの出力２１４の負荷に実質的に整合したインピーダンスを有する出力信号を生成する。
【００３８】
前述のように、それぞれの入力２１２の全ての５つが、結合器２０８の各々に対して用いられている。従って、各々増幅器２０２が２０ワットを出力すると、アンテナ２１６の各々が、ゼロ（０）と１００ワットとを含めた範囲で信号を出力する。しかし、全ての３つのアンテナからの総電力出力が１８０ワットを越えない（すなわち、９つの増幅器で、各々が２０ワットを生成）ことを理解すべきである。
【００３９】
図６は、１２個の増幅器２５２を備えた回路２５０を示す。６つの出力スイッチ２５４が、それぞれの増幅器２５２に電気的に接続している。出力スイッチ２５４の各々が、単一入力と２つの出力２５６とを備えている。各それぞれの出力スイッチ２５４の出力２５６の各々が、３つの５方向結合器２５８のなかの別個の１つに接続している。５方向結合器２５８の各々が５つの入力２６２と単一出力２６４とを備えている。増幅器のなかの３つがそれぞれの結合器２５８に直接接続している。このように、結合器２５８の各々の５つの入力２６２の各々が用いられる。出力２６４は、フィルタ２６８を介してそれぞれのアンテナ２６６に接続している。図１に示した実施例のように、結合器２５８は、入力信号を結合して、それぞれの出力２６４の負荷に実質的に整合したインピーダンスを有する出力信号を生成する。
【００４０】
前述のように、それぞれの入力２６２の全ての５つが、結合器２５８の各々に対して用いられている。従って、各増幅器２５２が２０ワットを出力すると、アンテナ２６６の各々が、ゼロ（０）と１００ワットとを含めた範囲で信号を出力する。しかし、全ての３つのアンテナからの総電力出力が２４０ワットを越えない（すなわち、１２個の増幅器で、各々が２０ワットを生成）ことを理解すべきである。
【００４１】
図７は、図３〜６のように、５方向スマート結合器が用いられる時に、３つのセクタ（α、β、γ）のそれぞれのアンテナからの考えられる電力出力を示す。増幅器ごとの最大出力電力は、２０ワットと想定されている。図７に示すように、３つの増幅器を有するシステムには、２つの考えられる出力構成がある。特に、第１の構成では、３つのアンテナのそれぞれが、１つの増幅器と通信するので、２０ワットを出力する。第２の構成では、αセクタで送信するアンテナが、例えば、２つの増幅器と通信するので、４０ワットを出力する。βセクタで送信するアンテナが、例えば、１つの増幅器と通信するので、２０ワットを出力する。γセクタで送信するアンテナは、例えば、ゼロ（０）の増幅器と通信するので、ゼロ（０）ワットを出力する。図７は、他の数の増幅器を含めた種々のシステム構成を示す。
【００４２】
本発明について、好ましい実施例を引用しながら説明してきた。修正と変更が可能なことが、前述の詳細な説明を読み理解すれば、当業者には自明のことと思われる。本発明は、全てのこのような修正と変更が添付の請求項とその等価的な項目の範囲に属している限り、それらを含めて構成できることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】Ａは本発明によるアンテナ・システムを示す図であり、Ｂは本発明によるアンテナ・システムを示す図である。
【図２】本発明のシステムによるフローチャートを示す図である。
【図３】本発明の代替実施例による各々アンテナ・システムを示す図である。
【図４】本発明の代替実施例による各々アンテナ・システムを示す図である。
【図５】本発明の代替実施例による各々アンテナ・システムを示す図である。
【図６】本発明の代替実施例による各々アンテナ・システムを示す図である。
【図７】種々の数の増幅器を具備するシステムにおけるアンテナの各々の電力出力を示すチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  アンテナ・システム
１２  キャリア・スイッチ
１４  キャリア入力
１６  キャリア出力
１８  制御回路
２２  アンテナ
２４  能動性／受動性結合器
３４  分割器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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