阅读说明：本技术 功率组合器/分离器及其操作方法 (Power combiner/splitter and method of operation thereof ) 是由 拉维甘文卡塔苏拉维拉朴 王才艺 于 2018-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种功率组合器/分离器及其操作方法,其中功率组合器/分离器包括公共端口,多个输入/输出端口,第一四分之一波长元件,第一开关,第二四分之一波长元件和第二开关；其中,该多个输入/输出端口,包括第一输入/输出端口和第二输入/输出端口；该第一四分之一波长元件,耦接在公共端口和第一输入/输出端口之间；该第一开关,耦接在第一输入/输出端口和参考电压节点之间；该第二四分之一波长元件耦接在公共端口和第二输入/输出端口之间；该第二开关耦接在第二输入/输出端口和参考电压节点之间。使用该方法,有利于减少功率组合器/分离器的损耗。(An embodiment of the present invention provides a power combiner/divider and an operating method thereof, wherein the power combiner/divider includes a common port, a plurality of input/output ports, a first quarter-wavelength element, a first switch, a second quarter-wavelength element, and a second switch; wherein the plurality of input/output ports comprises a first input/output port and a second input/output port; the first quarter-wave element is coupled between the common port and the first input/output port; the first switch is coupled between the first input/output port and a reference voltage node; the second quarter wave element is coupled between the common port and a second input/output port; the second switch is coupled between the second input/output port and the reference voltage node. Using this approach, it is advantageous to reduce the losses of the power combiner/splitter.)

功率组合器/分离器及其操作方法

技术领域

本发明总体涉及功率组合器和分离器装置及操作功率组合器和分离器装置的方法。特别的，本发明关于射频(radio frequency，RF)或者微波(例如毫米波(MillimeterWave，mmW))的功率组合器和分离器电路。

背景技术

功率组合器(combiner)通常用于在多个输入端口处接收电信号并在公共端口处生成组合信号。功率分离器(splitter)，也称为分配器(divider)，通常用于在公共端口处接收电信号并在多个输出端口处产生多个信号。功率组合器和分离器是通常用作处理射频(RF)信号的组件。组合器/分离器可以具有一个公共端口以及多个输入/输出端口，该公共端口用作分离器的输入和组合器的输出，该多个输入/输出端口用作分离器的输出和组合器的输入。

一种已知的功率组合器/分离器结构是威尔金森Wilkinson功率组合器/分离器。图1A是双向Wilkinson功率组合器/分离器100的示意图。图1B示出了双向Wilkinson功率组合器/分离器100相应的s参数矩阵。组合器/分离器具有公共端口P1，两个输入/输出端口P2和P3，以及耦接在P1与P2之间和P1与P3之间的四分之一波长元件102。输入/输出端口P2和P3与具有阻抗值2Z₀的电阻器104耦接。作为组合器，组合器/分离器100将在输入端口P2，P3处施加的相等相位信号组合成公共端口P1处的一个信号。作为分离器，组合器/分离器100将公共端口P1处的输入信号分成在输出端口P2，P3处的两个功率和相位都相等的信号。四分之一波长(λ/4)元件102也可以称为90°相移元件，并且被配置为在发送的射频信号中引起90°相移。四分之一波长元件102可以是具有特征阻抗和长度λ/4的传输线，其中λ是在电路中传播的电磁波的波长，Z₀是连接到P1，P2和P3的RF系统的特征阻抗，N是输入/输出端口的数量。或者使用集总(lumped)LC电路，该LC电路等效于具有特征阻抗和长度λ/4的传输线。

Wilkinson组合器/分离器的一个优点是所有端口都是阻抗匹配的，并且由于电阻器104输入/输出端口P2与输入/输出端口P3之间相互隔离。在理想的Wilkinson组合器/分离器中，没有反射引起的功率损失，并且在P2和P3之间的电阻器104中没有功率损失。

图2A是广义N路Wilkinson功率组合器/分离器200的示意图，而图2B示出了Wilkinson功率组合器/分离器200相应的s参数矩阵。N个输入/输出端口P2和P3各自通过四分之一波长元件102与公共端口P1耦接。每个输入/输出端口还经由具有阻抗值Z₀的电阻器204耦接到其余输入/输出端口中的每一个，其中在一对输入/输出端口之间串联连接有两个电阻器204。功率组合器/分离器200与双向功率组合器/分离器100类似地工作，并且具有匹配所有端口和N个输入/输出端口P₂，P₃，...，P_N+1之间的完全隔离的优点。因此，对于理想情况，没有反射引起的功率损耗，并且在电阻器204中没有功率损耗。

发明内容

根据一些实施例，提供了一种功率组合器/分离器。功率合成器/分配器包括公共端口，多个输入/输出端口，第一四分之一波长元件，第一开关，第二四分之一波长元件和第二开关；其中，该多个输入/输出端口，包括第一输入/输出端口和第二输入/输出端口；该第一四分之一波长元件，耦接在公共端口和第一输入/输出端口之间；该第一开关，耦接在第一输入/输出端口和参考电压节点之间；该第二四分之一波长元件耦接在公共端口和第二输入/输出端口之间；该第二开关耦接在第二输入/输出端口和参考电压节点之间。

本发明实施例提供一种功率组合器/分离器的操作方法，该功率组合器/分离器包括：公共端口，多个输入/输出端口，第一开关，第二开关，第一四分之一波长元件和第二四分之一波长元件，所述多个输入/输出端口包括第一输入/输出端口和第二输入/输出端口；所述第一四分之一波长元件耦接在所述公共端口和所述第一输入/输出端口之间；所述第一开关耦接在所述第一输入/输出端口和参考电压节点之间；所述第二四分之一波长元件耦接在所述公共端口和所述第二输入/输出端口之间；所述第二开关耦接在所述第二输入/输出端口和所述参考电压节点之间；该方法包括：根据所述端口激活信息，确定所述第一输入/输出端口的状态是否从激活变为非激活；其中，所述端口激活信息指示所述多个输入/输出端口中的每一个的状态为激活的或者非激活的，以及响应于确定出所述第一输入/输出端口的状态从激活变为非激活，通过关闭所述第一开关将所述第一输入/输出端口耦接到所述参考电压节点。

本申请提供的功率组合器/分离器及其操作方法通过利用第一开关耦接在功率组合器/分离器的第一输入/输出端口和参考电压节点之间，或者利用第二开关耦接在功率组合器/分离器的第二输入/输出端口和参考电压节点之间，使得可以在第一输入/输出端口或者第二输入/输出端口非激活时，有利于减少功率组合器/分离器的损耗。

附图说明

将参考以下附图描述各个方面和实施例。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。在附图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相同的数字表示。为清楚起见，并非每个组件都在每个图中标记出。

图1A是双向Wilkinson功率组合器/分离器100的示意图；

图1B示出与图1A中的双向Wilkinson功率组合器/分离器相对应的s参数矩阵；

图2A示出N路Wilkinson功率组合器/分离器2的示意图；

图2B示出与图2A中的N路Wilkinson功率组合器/分离器相对应的s参数矩阵；

图3示出根据本发明一些实施例的双向Wilkinson功率组合器/分离器300的示意图，其中该双向Wilkinson功率组合器/分离器300不是所有端口都被使用和激活的；

图4A是根据本发明实施例示出的双向功率组合器/分离器400的示意图；

图4B是根据本发明一些实施例，示出的当多个输入/输出端口中的一个被重配置为非激活时双向功率组合器/分离器400的配置的示意图；

图5A是根据本发明的一些方面，示出N路功率组合器/分离器500的示意图；

图5B是根据本发明的一些方面，示出的当多个输入/输出端口中的一个被重配置为非激活时N路功率组合器/分离器500的配置的示意图；

图6是根据本发明实施例示出的操作本发明所揭示的功率组合器/分离器的方法600的示意图；以及

图7是容纳一个或者多个本文所描述的类型的一个或者多个功率组合器/分离器设备的无线通信设备700的示意图。

具体实施方式

发明人已经认识并理解，现有技术中已知的Wilkinson功率组合器/分离器仅在输入/输出端口全部用于使用匹配阻抗连接到外部负载的理想情况下才实现无损操作，其中，匹配阻抗等于特征阻抗Z₀。在实践中，存在并非功率组合器/分离器的所有端口都用于组合/分离功率的情况。例如，一个或多个端口可以是未使用的或停用的(deactivated)。在一种情况下，多个输入/输出端口可以耦接到天线阵列的天线以用于接收/发送信号，而天线阵列中并不是所有天线都处于激活(active)状态的。一些天线可以被配置为未使用或非激活(inactive)，例如在特定波束成形配置中。因此，通常连接到这些天线的功率组合器/分离器的为了组合/分离功率的相应端口不再是激活的。根据本申请的一方面，可以提供端口激活信息以指示哪个或哪些输入/输出端口在特定时间是激活的(active)或非激活的(inactive)。当用作功率分离器时，端口通常端接(terminated with)与特征系统阻抗Z₀匹配的负载，但是在未连接到负载的非激活端口中将存在功率损耗。类似地，当Wilkinson功率组合器/分离器用作具有多个输入端口的功率组合器且当一个或多个输入端口非激活时，在Wilkinson功率组合器/分离器的电阻器Z₀中将存在功率损耗。

为了说明这样的问题，图3示出了根据一些实施例的双向组合器/分离器300的示意图，其中该双向组合器/分离器300中并非所有端口都被使用和激活的。在该图中，所有端口P1，P2和P3被出示为具有接地(ground)的系统阻抗Z₀，其可以表示物理的连接到端口的电路，迹线和传输线的阻抗。如图3中的场景所示，仅端口P1和P2是激活的。例如，P2还用于耦接到负载阻抗312。然而，端口P3是非激活的，并且在该示例中端口P3被端接到地313，而不是用于进一步耦接到与系统阻抗Z₀匹配的负载阻抗。发明人已经认识并理解，当信号施加到端口P1时，一半的功率将在端口P2处传送，剩余的一半功率在端口P3中消耗。同时，电阻器2Z₀中没有功耗。另一方面，当信号施加到端口P2时，只有一半的功率被传送到端口P1，剩余的一半功率被消耗在电阻器2Z₀中。同时，由于端口到端口的隔离，端口P3处没有功率消耗。因此，当未使用功率组合器/分离器的一个或多个输入/输出端口时，希望减少或消除这种功率损耗。

当不是所有端口都是激活的时，本申请的各方面解决了功率组合器/分离器的上述缺点。发明人已经认识并理解，当改变配置使得输入/输出端口的状态从激活变为非激活时，可以提供开关以从功率组合器/分离器的其余部分切断该输入/输出端口。

进一步的，根据一方面，当输入/输出端口中的一个被配置为非激活的，根据剩余的K个激活的输入/输出端口的数量，调整功率组合器/分离器中的可编程四分之一波长元件和电阻器，使得实际上，对于耦接到负载阻抗的输入/输出端口，电路的操作与在理想情况的K路Wilkinson功率组合器/分离器的操作相似。因此，可以减少或者消除由于未使用端口或者非激活端口导致的功率损耗。

正如本文中所使用的，功率组合器/分离器可以指用于功率组合器的电路，该电路也可以作为分离器反向工作，但是并不要求功率组合器/分离器能够以两种方式工作。功率组合器/分离器可以指主要用作功率组合器的电路，或主要用作功率分离器的电路。端口也可以称为节点，连接点或终端。端口可以是内部物理连接点或者到一电路的物理连接点，或者可以是电路中的电压节点。

根据本发明一方面，本发明提供的功率组合器/分离器可以用于射频通信领域，也可以用于微波(例如毫米波(Millimeter Wave，mmW))通信领域。根据本发明的一方面，在功率组合器/分离器的N个输入/输出端口的相应各端口和参考电压节点之间提供第一类型开关。当输入/输出端口当前没有被耦接到负载阻抗或者输入/输出端口是非激活的，则配置第一类型开关关闭。在一些例子中，参考电压节点可以是地节点。进一步的，根据本申请的一方面，在输入/输出端口和被指定为激活的剩余输入/输出端口中的每一个之间提供第二类型开关，当输入/输出端口从激活改变到非激活，第二类型开关被配置为打开。在一些例子中，第二类型开关耦接在输入/输出端口和公共节点之间，该公共节点位于输入/输出端口和激活的剩余输入/输出端口的每一个之间。通过关闭第一类型开关并且打开第二类型开关，可以从功率组合器/分离器电路的其余部分切断非激活的输入/输出端口。根据另一方面，四分之一波长元件具有可编程的阻抗并且该阻抗可以被调整，使得四分之一波长元件的阻抗约为其中，Z₀是特征阻抗，并且k是激活且预计将耦接到负载阻抗的输入/输出端口的数目。当所有输入/输出端口被配置为使用中或者激活的，k＝N。如果一个端口变为非激活的，k变为N-1。Z₀可以具有任何合适的值，以用于射频应用，并且Z₀可以在25到200欧姆(Ohm)的范围内，或者50到100的欧姆(Ohm)范围内，上述范围包括端点。

图4A根据本发明的一些发明示出双向功率组合器/分离器400的示意图。功率组合器/分离器400与图1A中的双向Wilkinson功率组合器/分离器100的不同之处在于：在相应的输入/输出端口P3和参考电压节点407之间提供有第一开关S_3,b，在相应的输入/输出端口P2和参考电压节点406之间提供有第二开关S_2,b。在一些例子中，参考电压节点407,406是地节点。应当理解的是，地节点可以是连接到参考地电压的物理的连接节点，或者，地节点可以是具有与参考地电压相同的电压电位的电压节点。

第三开关S₃与第一电阻405串联连接，并且两者都设置在P3和公共节点420之间。第四开关S₂与第二电阻404串联连接，并且两者都设置在P2和公共节点420之间。四分之一波长元件402和403各自具有可编程阻抗。控制器480被提供并配置以通过合适的控制连接(未示出)控制开关S_2,b,S_3,b,S₂和S3的切换，以及调整四分之一波长元件402和403的可编程阻抗。

如图4A所示，负载412耦接到端口P2，负载413耦接到端口P3。因为P2和P3都用于耦接到负载，开关S_2,b,S_3,b是打开的而开关S₂和S₃是关闭的，使得电路400的操作与理想的双向Wilkinson功率组合器/分离器的操作相似。

可以在功率组合器/分离器400中提供端口激活信息482，以指示公共端口P1和两个输入/输出端口P2和P3的状态。在图4A所示的示例中，三个端口都是激活的，正如端口激活信息482所指示的。端口激活信息482可以存储在功率组合器/分离器400内的存储器上。在一些实施例中，端口激活信息482可以是控制器480的一部分。端口激活信息482可以存储为任何合适形式的数据结构。例如，端口激活信息482可以包括与功率组合器/分离器的每个端口相对应的一个或多个索引位，并且可以使用一个或多个位来将每个端口的状态表示为激活或非激活，但是也可以使用任何其他合适的端口状态指定。取决于功率组合器/分离器的预期配置，端口激活信息482内的端口状态可以由控制器480在内部更新，或者通过用户从外部输入更新，或者通过从与功率组合器/分离器400通信的其他电子组件接收的指令更新。

图4B根据一些实施例示出当输入/输出端口中一个的状态改变成非激活的时双向功率组合器/分离器400的配置的示意图。在图4B中，功率组合器/分离器被配置为仅使用端口P1和P2，不再使用P3。端口激活信息484指示端口P3的状态从如图4A所示的激活变为非激活。响应于改变端口P3的状态为非激活的指示，控制器480打开开关S₃，闭合开关S_3,b以将端口P3耦接到地并将端口P3与端口P2隔离。应当理解的是，因为开关S₂和S₃串联连接在端口P3和P2之间，所以当S3打开时，不需要必须打开S₂来将P3与P2隔离。在一些实施例中，开关S₂可以是可选的，并且在双向功率组合器/分离器的两个输入/输出端口之间可以只有一个单个开关，当两个输入/输出端口中一个变为非激活时，可以打开该开关。

由于长度为λ/4的传输线在其输出负载短路时在输入侧呈现高阻抗，因此将P3短接到地可以使得从P1观察时端口P3呈现为开路并且具有非常高的阻抗。控制器480还配置耦接到端口P2的四分之一波长元件402，以将四分之一波长元件402的阻抗从变为Z₀。因此，P1具有与P2匹配的阻抗，并且P1和P2之间几乎没有功率损耗。

可编程四分之一波长元件402,403可以使用本领域已知的任何合适技术实现，例如通过使用具有可调特性值的集总(lumped)元件来实现。可编程四分之一波长元件也可以使用可编程传输线来实现，例如本领域已知的可编程微带(microstrip)线，或可编程共面(co-planar)波导。

图5A根据本申请的一些方面示出N路组合器/分离器500的示意图。在图5A所示，第一类型开关S_2,b,S_3,b,...S_N+1,b被提供在相应输入/输出端口P₂,P₃...P_N+1与地之间，第二类型开关S₂,S₃,...S_N+1被提供在多个输入/输出端口中一个和多个输入/输出端口中另一个之间。特别的，如图5A所示，第二类型开关S₂,S₃,...S_N+1中每一个耦接在N个输入/输出端口中的端口和公共节点520之间。电阻504具有阻抗值Z₀，并且耦接在N个输入/输出端口中的端口和公共节点520之间，并且与第二类型开关S₂,S₃,...S_N+1中的相应开关串联。控制器480被提供以控制第一类型开关S_2,b,S_3,b,...S_N+1,b，第二类型开关S₂,S₃,...S_N+1以及可编程四分之一波长元件502₂,502₃,...502_N+1。端口激活信息582被提供并且该端口激活信息582包括端口P₁,P₂,P₃...P_N+1中的每一个端口的端口状态的指示。

如图5A中所示出的例子所示，当所有输入/输出端口P₂,P₃...P_N+1是激活的，例如，正在负载网络中使用，N个第一类型开关S_2,b,S_3,b,...S_N+1,b保持打开，第二类型开关S₂,S₃,...S_N+1保持关闭，四分之一波长元件502₂,502₃,...502_N+1中的每一个具有阻抗其中k＝N。在这种情况下，功率组合器/分离器500的操作和性能类似于N路Wilkinson功率组合器/分离器的操作和性能。

图5B示出当多个输入/输出端口中的一个被配置为非激活的N路组合器/分离器500的示意图。如图5B所示，当一个输入/输出端口P_i+1从激活状态改变成非激活状态，正如端口激活信息584所示出的，控制器480通过控制相应的第二类型开关s_i+1打开和相应的第一类型开关s_i+1,b关闭来响应。这引起连接在端口P₁和P_i+1之间的四分之一波长元件502_i+1的负载在P_i+1节点上被短路到地，引起在四分之一波长元件502_i+1的P₁侧上的高阻抗。使用这种可编程配置，在第二类型开关S_i+1打开的相应端口P_i+1中或者相应的电阻器Z₀中没有功率损耗。

控制器480也被配置为根据端口的数目k调整每一个四分之一波长元件，以具有特征阻抗其中k等于在端口激活信息582中指示为激活的输入/输出端口的数目。在图5B所示出的该例子中，k变为N-1。

图6是根据一些例子示出的操作正如本申请所示出的功率组合器/分离器的方法600的流程图。正如图6所示，方法600在602处在端口激活信息中指示多个输入/输出端口的每一个端口的状态。该状态可以是激活的或者非激活的，例如图4中的示例性端口激活信息482中所示。在604处，根据端口激活信息，确定多个输入/输出端口的第一输入/输出端口的状态是否从激活改变成非激活，如果是，则方法600在606处通过关闭耦接在第一输入/输出端口和参考电压节点之间的第一开关，将第一输入/输出端口耦接到参考电压节点(例如地(ground))，例如，该第一开关可以是前述实施例中的第一类型开关。在608处，方法600包括打开耦接在第一输入/输出端口和公共节点之间的第三开关，其中该公共节点耦接到第一和第二输入/输出端口，例如，该第三开关可以是前述实施例中的第二类型开关。在610，设置可编程阻抗。该方法首先确定在端口激活信息中被指示为激活的输入/输出端口的数目。可编程阻抗是耦接在功率组合器/分离器的公共端口和第二输入/输出端口之间的第二四分之一波长元件的阻抗。可编程阻抗然后被设置为在一些例子中，控制器480可以用于控制开关的切换和调整四分之一波长元件的可编程阻抗。根据一些实施例，控制器480可以包括逻辑电路，该逻辑电路选择性的输出控制信号到开关的控制端和四分之一波长元件以控制开关的切换和调整四分之一波长元件的可编程阻抗。控制器480可以是与功率组合器/分离器设置在同一设备封装上的集成电路(IC)，或者该控制器480可以在单独的封装中。

图7是容纳本文描述的一个或者多个功率组合器/分离器设备类型的无线通信设备700。根据本发明的一方面，功率组合器/合成器设备710可以设置在消费电子设备中，例如图7所示出的无线通信设备700，该功率组合器/合成器设备710与天线阵列790耦接，将待发送的RF信号分成多个RF信号，以通过天线阵列发送，或者将从天线阵列接收的多个RF信号组合成测量的RF信号。无线通信设备710可以是包含用于传输/接收无线信号的多个天线的任何设备。无线通信设备710的例子包括但不限于移动电话，无线显示器，智能手表或者利用无线通信的其他可穿戴设备。无线通信设备710也不限于移动电话，无线通信设备710可以是无线接入点，无线路由器，无线中继器(wireless repeater)，无线基站等等。

已经如此描述了本发明的至少一个实施例的若干方面，应当理解的是，本领域技术人员将容易想到各种改变，修改和改进。

这些改变，修改和改进旨在成为本发明公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。此外，尽管指出了本发明的优点，但应该理解的是，并非本文描述的技术的每个实施例都包括每个所描述的优点。一些实施例可以不实施在此描述为优点的任何特征，并且在一些实例中，可以实施所描述的特征中的一个或多个以得到进一步的实施例。因此，前面的描述和附图仅是示例性的。

本发明的各个方面可以单独使用，组合使用，或者在前面描述的实施例中没有具体讨论的各种安排中使用，因此不限于其应用于在前面的描述中所阐述的或在附图中所示出的部件的细节和配置。例如，虽然描述了无线通信设备，但是本申请中描述的可编程功率组合器和分离器不限于在通信设备中使用，也可以在诸如雷达，声纳或基于声学传输器/接收器的医疗成像设备(例如超声成像器)的其他设备中实施。在一个实施例中描述的方面可以以任何方式与在其他实施例中描述的方面组合。

此外，本发明可以体现为一种方法，已经提供了该方法的例子。作为方法的一部分的操作可以以任何合适的排序执行。因此，可以构造这样的实施例，该实施例以不同于示例性实施例所示出的顺序执行操作，即使在示例性实施例中示出为顺序的操作，该实施例也可以包括同时执行一些操作。

在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等的序数术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素优先于另一个权利要求元素的优先级，优先权或顺序，或者执行方法的操作的时间顺序，但仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素(但是用于使用序数术语)区分，以区分权利要求元素。

此外，这里使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。本文中“包括”，“包含”或“具有”，“含有”，“涉及”及其变化形式的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附权利要求为准。