УСТРОЙСТВО И МЕТОД ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЙ РАДИОЧАСТОТНОЙ МОЩНОСТИ, СПОСОБНЫЕ КОМПЕНСИРОВАТЬ МОДУЛЬ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ, НАХОДЯЩИЙСЯ В НЕРАБОЧЕМ СОСТОЯНИИ
ARRANGEMENT AND METHOD FOR RF HIGH POWER GENERATION ABLE TO COMPENSATE A POWER AMPLIFIER MODULE WITH FAILURE

Настоящее изобретение относится к устройству и методу генерации высокой радиочастотной мощности. Изобретение содержит,
по меньшей мере, один сумматор мощности с радиочастотными входами и, по меньшей мере, одним радиочастотным выходом, а также,
по меньшей мере, два модуля усилителя мощности, подключенные соответствующим образом ко входу посредством электрического соединения при помощи, по меньшей мере, одной линии передачи.
По меньшей мере, одна линия передач содержит, по меньшей мере, один радиочастотный переключатель.
Радиочастотная (РЧ) и/или микроволновая мощность производится соответствующими генераторами. В основе генераторов радиочастотной мощности для высокомощных режимов использования лежат трубки, например клистроны, индуктивные выходные трубки или магнетроны. В другом варианте исполнения, для генераторов радиочастотной мощности используются твердотельные технологии, в частности, технология транзисторов. С использованием твердотельных радиочастотных генераторов становится возможным надежное производство радиочастотной мощности устройствами малой размерности и высокой эффективности. Недостатком технологии транзисторов является низкая выходная радиочастотная мощность на каждом транзисторном чипе: в пределах до 1.5 кВт выходной мощности при частоте 500 МГц. Для сравнения, при использовании клистронов как примера использования ламповой технологии возможно достижение выходной радиочастотной мощности, исчисляющейся в мегаваттах.
Для генерации больших мощностей с помощью, например, радиочастотных генераторов на основе транзисторов необходимо объединение радиочастотных генераторов. Объединение транзисторов в одном усилителе мощности, основанном, например, на двухтактных топологиях или топологиях сбалансированного типа, может усложнить системы и увеличить риск возникновения неисправности. В случае поломки отдельных транзисторов, замене подлежит все устройство. Альтернативным решением может быть использование нескольких модулей усилителя мощности с общим, в частности, одним сумматором мощности.
В модульном устройстве радиочастотная мощность от модулей усилителя мощности, подключенных посредством линий передачи к общему сумматору мощности, агрегируется в сумматоре мощности в высокую радиочастотную мощность. Например, коаксиальные кабели и/или полосковые линии используются в качестве линий передачи. Выходная мощность модулей усилителя мощности, подаваемая в сумматор мощности, регулируется и оптимизируется для достижения высокой эффективности. Обеспечивается слабое отражение мощности от входов сумматора мощности к соответствующему модулю усилителя мощности и передачи малой мощности от модуля усилителя мощности к другим модулям усилителя мощности, так называемые, перекрестные помехи.
В случае вывода из работы одного или нескольких модулей усилителя мощности, например, в связи с желаемой остановкой для пошаговой настройки выходной радиочастотной мощности и/или в связи с дефектами / выходом из строя модулей усилителя мощности, например, вследствие перегрева или поломки транзистора, модуль или модули более не генерируют радиочастотную мощность и на соответствующем вводе сумматора мощности генерируется произвольное значение выходного импеданса модуля. Система не сбалансирована, результатом чего могут стать перекрестные помехи, а также рассогласование, что ведет к увеличению отраженной радиочастотной мощности от ввода сумматора мощности. Значительная часть итоговой выходной радиочастотной мощности от все еще надлежащим образом функционирующих модулей усилителя мощности может быть передана через сумматор мощности на дефектные модули. Это сокращает итоговую радиочастотную мощность на выходной нагрузке, которая может быть использована устройствами-потребителями радиочастотной мощности. Сокращается результирующая эффективность системы сумматора мощности.
Возможный вариант решения, известный на современном техническом уровне, заключается в использовании сумматоров мощности с высокой степенью изоляции между входными портами, например, сумматоры мощности типа «Вилкинсона». В случае неисправности одного или нескольких модулей усилителя мощности встроенный изоляционный резистор рассеивает значительный объем мощности от оставшихся модулей усилителя мощности. В подобного рода сумматорах мощности сокращаются перекрестные помехи, однако сокращается так же результирующая эффективность суммирования мощности, в связи с рассеиванием выходной мощности в изоляционном резисторе.
Другой возможный вариант решения, известный на современном техническом уровне, заключается в использовании циркуляторов, управляемых индивидуально на каждом выходе модуля усилителя радиочастотной мощности. В случае выхода из строя модуля усилителя мощности, отраженная и перекрестная мощность будет рассеиваться в поглощающей нагрузке, подключенной к соответствующему циркулятору. Результирующая эффективность полной мощности системы суммирования мощности снижается вследствие сокращения доступной мощности на нагрузке по направлению к сумматору мощности.
Целью настоящего изобретения является предложить простое в обращении и экономически эффективное устройство, а также метод генерации высокой радиочастотной мощности с помощью сумматора мощности и с помощью подключенных посредством электрического соединения модулей усилителя мощности, с высокой результирующей эффективностью, в особенности, в случае вывода из строя одного или нескольких модулей усилителя мощности. Кроме того, целью настоящего изобретения является сокращение перекрестных помех и отражения мощности от входов сумматора мощности даже в случае вывода из строя одного или нескольких модулей усилителя мощности.
Вышеуказанные цели достигаются с помощью устройства генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с пунктом формулы 1 и с помощью метода генерации высокой радиочастотной мощности, в частности, с помощью устройства, описанного выше, в соответствии с пунктом формулы 8.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Характерные черты основных пунктов формулы могут быть объединены друг с другом, а также с характерными чертами зависимых пунктов формулы. Кроме того, характерные черты зависимых пунктов формулы могут быть объединены вместе.
Устройство генерации высокой радиочастотной мощности содержит, по меньшей мере, один сумматор мощности с радиочастотными входами и, по меньшей мере, одним радиочастотным выходом, а также, по меньшей мере, два модуля усилителя мощности, подключенные к входу соответствующим образом посредством электрического соединения при помощи, по меньшей мере, одной линии передачи.
По меньшей мере, одна линия передач содержит, по меньшей мере, один радиочастотный переключатель и комплексная нагрузка подключена посредством электрического соединения к, по меньшей мере, одному радиочастотному переключателю.
Использование, по меньшей мере, одного радиочастотного переключателя с комплексной нагрузкой, подключенной посредством электрического соединения, позволяет сбалансировать устройство в случае, например, вывода из строя, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности. В случае, если модуль неисправен, например, имеет дефект, соответствующий радиочастотный переключатель может быть переключен из состояния электрического соединения модуля с сумматором мощности в состояние соединения соответствующего входа сумматора мощности с комплексной нагрузкой. Комплексная нагрузка на входе обеспечивает определенное значение импеданса на соответствующем входе сумматора мощности, настраивая сумматор мощности вновь в состояние, в котором есть соответствие между оставшимися, продолжающими функционировать модулями усилителя мощности и выходной нагрузкой на выходе сумматора мощности. Никакая полезная мощность не рассеивается, а результирующая эффективность суммирования мощности остается постоянной по сравнению с состоянием перед, например, выводом из строя модуля усилителя мощности. Отсутствие мощности от, например, дефектного модуля усилителя мощности может быть компенсировано за счет увеличения выходной радиочастотной мощности от надлежащим образом функционирующих модулей усилителя мощности.
Такие компоненты, как коммутаторы, дешевле в использовании по сравнению с циркуляторами, они могут быть меньше по габаритам и легче в применении. Переключателям можно передать большее количество мощности по сравнению с циркуляторами или сумматорами мощности типа «Вилкинсон» без выхода из строя всей системы в целом. В случае отключения, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности для пошаговой настройки выходной радиочастотной мощности эффективность устройства не снижается. То же самое происходит и в случае выхода из строя модулей усилителя мощности.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением является простым в обращении и экономически эффективным, а также сохраняет высокую результирующую эффективность даже в случае выхода из строя и/или отключения для пошаговой настройки радиочастотной мощности одного или нескольких модулей усилителя мощности. Подавляются и соответственно сокращаются перекрестные помехи и отражение мощности от входов сумматора мощности, даже в случае выхода из строя одного или нескольких модулей усилителя мощности.
В качестве комплексной нагрузки устройства может использоваться предварительно определенная нагрузка, в частности, в пределах 50 Ом и/или комплексная нагрузка может быть подключена в виде короткозамкнутой цепи, т.е. заземлена, и/или может быть подключена в виде разомкнутой цепи, т.е. не заземлена.
Предварительно определенная нагрузка может быть в пределах, установленных, чтобы сбалансировать устройства после, например, поломки либо отключения соответствующего модуля усилителя мощности. Комплексная величина должна быть выбрана в пределах, соответствующих работающим модулям усилителя мощности, подключенным посредством электрического соединения к сумматору мощности.
Радиочастотные переключатели могут иметь внешнее управление, в частности, это могут быть pin-диоды и/или механические переключатели. Может быть предусмотрено устройство управления для целей обнаружения остановки модуля усилителя мощности и/или управления радиочастотными переключателями. В случае обнаружения остановки модуля усилителя мощности, соответствующий переключатель может быть переключен устройством управления из положения электрического соединения модуля усилителя мощности, находящегося в нерабочем состоянии, с соответствующим входом сумматора мощности в положение электрического соединения соответствующего ввода сумматора мощности с соответствующей комплексной нагрузкой. Устройство управления может содержать компьютер и/или микроконтроллер.
Может быть предусмотрена, по меньшей мере, одна выходная нагрузка, подключенная посредством электрического соединения к, по меньшей мере, одному радиочастотному выходу, по меньшей мере, одного сумматора мощности, в частности, такая нагрузка может содержаться на, по меньшей мере, одной выходной линии передачи. Среди прочих, посредством электрического соединения могут быть подключены такие потребители, как медицинские приборы, аналитические, либо иные приборы, потребляющие высокую радиочастотную мощность.
Метод генерации высокой радиочастотной мощности, в частности, выполняемый с помощью устройства, как описано выше, включает
первый шаг - определение нерабочего состояния, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности из, по меньшей мере, двух модулей усилителя мощности, подключенных соответствующим образом посредством электрического соединения к соответствующему входу, по меньшей мере, одного сумматора мощности, с, по меньшей мере, двумя модулями усилителя мощности, подключенными посредством электрического соединения к, по меньшей мере, одному сумматору мощности соответствующим образом с помощью, по меньшей мере, одной линии передачи, содержащей, по меньшей мере, один радиочастотный переключатель, а также
второй шаг - переключение, по меньшей мере, одного радиочастотного переключателя, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности находящегося в нерабочем состоянии в режим без электрического подключения, по меньшей мере, одного входа сумматора мощности к, по меньшей мере, одному модулю усилителя мощности, находящегося в нерабочем состоянии и с электрическим подключением, по меньшей мере, одного входа сумматора мощности к комплексной нагрузке.
k
Мощность P, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности, находящегося в нерабочем состоянии может компенсироваться оставшимися модулями усилителя мощности в рабочем состоянии, вследствие чего мощность Р от радиочастотного выхода сумматора мощности к выходной нагрузке, в частности, равняется мощности Р до вывода из строя, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности. Эффективность суммарной мощности может оставаться на уровне, предшествующем выводу из строя модуля усилителя мощности. Потери мощности не происходит вследствие отключения неработающего модуля и благодаря подключению заранее определенной комплексной нагрузки к соответствующему входу сумматора мощности, балансирующей устройство и предотвращающей потерю мощности от отраженной мощности от оставшихся модулей усилителя мощности в рабочем состоянии.
Метод может быть автоматическим, в частности, контролируемым компьютером, и/или микроконтроллером.
В другом варианте исполнения метод может быть ручным, например, ручное переключение после обнаружения неисправности. Возможно также и сочетание ручного и автоматического методов, например, автоматическое обнаружение неисправностей и ручное переключение.
k
k
r
c
На входе, по меньшей мере, одного сумматора мощности, который подключен путем электрического соединения к, по меньшей мере, одному модулю усилителю мощности, находящемуся перед вторым шагом в неработающем состоянии, после второго шага может быть подключен установленный импеданс. Это сокращает или препятствует отражению мощности P от входов сумматора мощности на модули усилителя мощности в рабочем состоянии и/или препятствует возврату мощности P от, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности, находящегося в нерабочем состоняии к модулям усилителя мощности в рабочем состоянии.
Перекрестные помехи и/или диссонанс мощности в устройстве с сумматором мощности с модулями усилителя мощности в рабочем состоянии и, по меньшей мере, одним модулем усилителя мощности, находящимся в нерабочем состоянии, может быть минимизирован и/или предотвращен путем переключения, по меньшей мере, одного радиочастотного переключателя, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности в нерабочем состоянии в режим без электрического подключения модуля к входу сумматора мощности и/или путем переключения, по меньшей мере, одного радиочастотного переключателя, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности в нерабочем состоянии в режим с электрическим подключением, в частности, к предварительно определенной комплексной нагрузке.
Преимущества подключения с помощью описанного выше метода генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с настоящим изобретением схожи с описанными ранее преимуществами в связи с устройством генерации высокой радиочастотной мощности, и наоборот.
Настоящее изобретение далее описывается подробно со ссылками на проиллюстрированные варианты осуществления, представленные в прилагаемых чертежах, где:
ФИГ. 1 демонстрирует устройство 1 сумматора мощности 2 с N модулями усилителя мощности в рабочем состоянии 5, известное из существующего уровня техники, и
ФИГ. 2 демонстрирует устройство 1, как указано на ФИГ. 1, но с модулем усилителя мощности 5', находящимся в нерабочем состоянии, известное из существующего уровня техники, и
ФИГ. 3 демонстрирует устройство 1 в соответствии с настоящим изобретением с радиочастотными переключателями 7, подключенными соответствующим образом к комплексной нагрузке 8, установленной между модулями усилителя мощности 5 и сумматором мощности 2 для балансировки устройства 1 после выключения и/или выхода из строя, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности 5'.
На ФИГ. 1 представлено устройство 1 сумматора мощности 2 с N модулями усилителя мощности, находящимися в рабочем состоянии 5, известное из существующего уровня техники. Модули усилителя мощности 5 соответствующим образом подключены к входу 3 сумматора мощности 2 посредством входной линии передачи 6. Выходная линия передачи 6', подключенная посредством электрического соединения к радиочастотному выходу 4 сумматора мощности 2, содержит выходную нагрузку 9.
При нормальном режиме, т.е. когда все модули усилителя мощности 5 работают надлежащим образом и отсутствуют какие-либо неисправные модули усилителя мощности, сумматор мощности 2 питается на вводах 3 с помощью всех N модулей усилителя мощности 5. Сумматор мощности 2 суммирует выходную мощность Pi, где i=1, 2, 3, …, N, всех N модулей усилителя мощности 5, обеспечивая радиочастотную мощность
1
2
3
N
Р = P + Р + Р + … + P
к выходной нагрузке 9. Выходные импедансы всех модулей усилителя мощности 5 настроены на установленные значения, чаще всего, например, каждый модуль усилителя мощности 5 настроен на 50 Ом, для балансировки устройства 1. Мощность, отраженная от соответствующего входа 3 сумматора мощности 2, подключенного к модулю усилителя мощности 5, должна быть низкой, т.е. минимизирована для всех входов 3 и передача мощности от модуля усилителя мощности 5 на все другие модули усилителя мощности 5, так называемые, перекрестные помехи, должна быть низкой, т.е. минимизированной. В таком состоянии устройство 1 именуется, как сбалансированное.
k
На ФИГ. 2 представлено устройство 1, как оно было показано на ФИГ. 1, но в несбалансированном состоянии, известное из существующего уровня техники, с неисправным, либо отключенным модулем усилителя мощности 5'. В случае вывода из работы нескольких, или, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности 5', например, в связи с желаемой остановкой модуля усилителя мощности 5' для пошаговой настройки выходной радиочастотной мощности Р, либо в связи с дефектами, вследствие перегрева, поломки транзистора в случае, если модуль усилителя мощности 5' основан на транзисторах, либо в связи с иными ошибками, неработающий модуль усилителя мощности 5' не генерирует радиочастотную мощность P. Выходной импеданс нефункционирующего модуля усилителя мощности 5', например, модуля усилителя мощности 5' в нерабочем состоянии 5', не известен, с произвольным комплексным значением, применимым в отношении соответствующего входа 3 сумматора мощности 2.
Результатом этого становится увеличение радиочастотной мощности, отраженной от входов сумматора мощности, т.е. диссонанса, увеличение перекрестных помех между модулями усилителя мощности 5, и значительная часть общей выходной радиочастотной мощности, обеспечиваемая модулями усилителя мощности 5, работающими в нормальном режиме, может быть передана через сумматор мощности 2 на дефектный или отключенный модуль усилителя мощности 5'. Сокращается радиочастотная мощность Р, передаваемая на выходную нагрузку 9 и подлежащая использованию потребителями, подключенными к устройству 1, которые в целях упрощения не представлены в деталях на ФИГ. Общая эффективность устройства 1 снижается по сравнению с ситуацией, описанной на ФИГ. 1.
i
i
k
r
c
В варианте осуществления, представленном на ФИГ. 2, ситуация проиллюстрирована для одного дефектного модуля усилителя мощности 5' под номером k. Это всего лишь пример. Возможно наличие нескольких модулей усилителя мощности 5' с дефектами, либо он/они могут быть отключены для пошаговой настройки выходной радиочастотной мощности Р сумматора мощности 2. Количество модулей усилителя мощности 5 составляет N. Радиочастотная мощность P, где i=1, 2, 3, …, N и i≠k - это соответствующая отраженная радиочастотная мощность от соответствующего входа 3 сумматора мощности 2. Мощность P, где i=1, 2, 3, …, N и i≠k - это дополнительная отраженная радиочастотная мощность, исходящая от сумматора мощности 2 по направлению к функционирующим модулям усилителя мощности 5 как результат перекрестных помех. P - это радиочастотная мощность, передаваемая через сумматор мощности 2 от функционирующих модулей усилителя мощности 5 на дефектный или отключенный модуль усилителя мощности 5'.
Радиочастотная мощность, передаваемая на выходную нагрузку 9 от модулей усилителя мощности 5, равняется
1
2
3
k-1
k+1
N
1
1
2
2
3
3
N
N
k
r
c
r
c
r
c
r
c
Р = (Р + Р + Р + … P + P+ … +P) - (P + P + P + P + P + P+ … + P + P + P),
и может быть снижена до нулевого значения в зависимости от значения неизвестного выходного импеданса дефектного или отключенного модуля усилителя мощности 5'. Отраженная мощность и млощность, приходящая от других модулей, может привести к повреждению надлежащим образом функционирующих модулей усилителя мощности 5 и/или повреждению, либо дальнейшему повреждению отключенного или поврежденного модуля усилителя мощности 5'.
i
i
k
r
c
Для предотвращения повреждений и сохранения эфективности общей суммарной мощности целью настоящего изобретения является сокращение значений P, P и P, в частности, до минимума для безопасного и длительного функционирования устройства 1.
i
i
k
r
c
На ФИГ. 3 представлено устройство 1 в соответствии с настоящим изобретением, с радиочастотными переключателями 7, соответствующим образом подключенными к комплексной нагрузке 8 для балансировки устройства 1 после отключения и/или поломки, по меньшей мере, одного модуля усилителя мощности 5'. Путем переключения радиочастотного переключателя 7 из положения электрического подключения дефектного или отключенного модуля усилителя мощности 5' посредством входной линии передачи 6 к соответствующему входу 3 сумматора мощности 2, в положение электрического подключения предварительно определенной комплексной нагрузки 8 к соответствующему вводу 3 сумматора мощности 2, значения P, P и P снижаются, в частности, до минимума.
i
i
k
r
c
Устройство 1 на ФИГ. 3 соответствует устройству на ФИГ. 2, но каждая входящая линия передачи 6 дополнительно содержит радиочастотный переключатель 7, соответствующим образом подключенный к комплексной нагрузке 8. До тех пор пока функционируют все модули усилителя мощности 5, в частности, работают без неисправностей, что соответствует также ситуации на ФИГ. 1, все переключатели находятся в положении электрического подключения соответствующего модуля усилителя мощности 5 посредством входной линии передачи 6 к соответствующему входу 3 сумматора мощности 2 - ситуация, которая в целях упрощения не представлена на ФИГ. 3. В случае, если один или несколько модулей усилителя мощности 5' являются дефектными, либо должны быть отключены по каким-либо иным причинам, переключатель 7' соответствующего модуля усилителя мощности 5' переключается в положение электрического подключения предварительно определенной комплексной нагрузки 8 к соответствующему вводу 3 сумматора мощности 2 и соответствующий модуль усилителя мощности 5' электрически отключается от сумматора мощности 2. В результате чего установленное значение импеданса на вводе 3 сумматора мощности 2 переключает устройство 1 в режим согласования, где предварительно установленная комплексная нагрузка 8 с установленным значением импеданса приводит к согласованию оставшихся, работающих модулей усилителя мощности 5, подключенных посредством электрического соединения к сумматору мощности 2 и находящихся в балансе с выходной нагрузкой 9. Значения P, P и P снижаются, в частности, до минимума и/или нуля в случае, если было избрано корректное значение комплексной нагрузки 8. Типовое значение комплексной нагрузки 8 находится в пределах 50 Ом.
После переключения, результирующая суммарная мощность на выходной нагрузке 9 составляет
1
2
3
k-1
k+1
N
Р = (P + Р + Р + … P + P + … + P).
Мощность, которая используется в режиме без дефектного или отключенного модуля усилителя мощности, не рассеивается и соответственно результирующая эффективность суммирования мощности сохраняется на постоянном уровне. Потерянная радиочастотная мощность, которая обеспечивалась до поломки или отключения модулем усилителя мощности 5', может быть компенсирована за счет увеличения выходной радиочастотной мощности оставшихся надлежащим образом функционирующих усилителей мощности 5, все еще подключенных посредством электрического соединения к сумматору мощности 2.
Радиочастотный переключатель, например, строиться из или содержит pin-диод или реле. Устройство управления, которое в целях упрощения не представлено на ФИГ. 3, но обозначено с помощью стрелки на соответствующем переключателе 8, может быть включено в целях определения неисправностей модуля усилителя мощности 5'. Устройство управления может контролировать радиочастотные переключатели 7 и инициировать переключение. Устройство управления может быть в форме компьютера и/или микроконтроллера, либо содержать компьютер и/или микроконтроллер. В другом варианте исполнения, устройство управления может определять остановку работы модуля, но переключение осуществляется соответствующим образом вручную. В иных вариантах исполнения, определение остановки и переключение осуществляется вручную.
Переключатели, содержащие pin-диод либо реле, например, в форме коммутатора, являются более дешевым решением по сравнению, например, с циркуляторами. Коммутатор может быть меньше по размеру, чем циркуляторы, вследствие чего устройство 1 становится компактным в соответствии с настоящим изобретением. Мощность, обеспечиваемая устройством 1 в соответствии с настоящим изобретением, может быть выше по сравнению с устройствами, содержащими циркуляторы вместо коммутаторов, либо по сравнению с устройствами из разряда сумматоров мощности типа «Вилкинсон». Устройство 1 в соответствии с настоящим изобретением может использоваться для отключения модулей усилителя радиочастотной мощности 5', например, для пошаговой настройки выходной радиочастотной мощности без потери эффективности суммарования мощности.
Вышеописанные характеристики вариантов осуществления настоящего изобретения в соответствии с настоящим изобретением могут быть объединены друг с другом и/или могут быть объединены с вариантами осуществления, известными на современном техническом уровне. Например, более одного модуля усилителя мощности 5' может быть отключено и/или иметь дефекты. Устройство 1 может содержать более одного сумматора мощности 2. Среди прочих, выходной нагрузкой 9 может являться медицинский прибор либо иные электрические акцепторы, в частности потребители, использующие высокую радиочастотную мощность, обеспечиваемую устройством 1.