Amplificadores de múltiples puertos en satélites de comunicaciones.

Método de mantenimiento de un aislamiento dentro de un amplificador de múltiples puertos para un satélitede comunicaciones,

comprendiendo el amplificador de múltiples puertos una pluralidad de unidades deamplificador de potencia de microondas, una pluralidad de puertos de entrada y una pluralidad de puertosde salida, estando los puertos de entrada conectados a dichas unidades de amplificador por una red dedivisión de señal de entrada (INET), y estando los puertos de salida conectados a dichas unidades deamplificador por una red de división de señal de salida (ONET), en el que dicha red de división de señal deentrada (INET) está configurada en una matriz e incluye una primera columna de híbridos de entrada (J, K,L M), estando cada híbrido de entrada de la primera columna conectado a un par de unidades deamplificador adyacentes primera y segunda (A1/A2...A7/A8) de dicha pluralidad de unidades de amplificador,de modo que una señal de entrada en cualquier puerto de entrada se amplifica por todas las unidades deamplificador, y luego se recombina en una señal de salida en un puerto de salida, comprendiendo elmétodo:

proporcionar a al menos una de dichas unidades de amplificador medios de ajuste de ganancia y medios deajuste de fase,

proporcionar un bucle de control de retroalimentación que se extiende desde (un) nodo(s)preseleccionado(s) en dicha red de división de señal de salida hasta dichos medios de ajuste de ganancia ymedios de ajuste de fase,

inyectar una señal piloto en dicha red de división de señal de entrada (INET), y

detectar dicha señal piloto en dicho(s) nodo(s) preseleccionado(s), de modo que dicho bucle deretroalimentación proporcione señales de ajuste de ganancia y de fase dependiendo del valor de la señalpiloto detectada,

en el que dicha red de división de señal de salida (ONET) incluye una primera columna de híbridos desalida (a, b, c, d), estando cada híbrido de salida de la primera columna conectado al par de unidades deamplificador adyacentes primera y segunda (A1/A2...A7/A8) de dicha pluralidad de unidades amplificador yteniendo al menos una de las unidades de amplificador adyacentes primera y segunda medios de ajuste deganancia y medios de ajuste de fase, y

en el que dicho(s) nodo(s) preseleccionado(s) comprende(n) un puerto de salida de uno de dichos híbridosde salida (a, b, c, d) de la primera columna, en el que se produce un nulo de señal de dicha señal piloto,en el que la alineación de ganancia y de fase se lleva a cabo en un procedimiento que comprende introduciruna iteración de aumentos de fase en dichos medios de ajuste de fase para identificar un valor nulo que obien es menor que un valor requerido o bien es un valor mínimo, mientras se mantiene constante el ajustede ganancia.

Amplificadores de múltiples puertos en satélites de comunicaciones

Campo técnico Esta invención se refiere a amplificadores de múltiples puertos para su uso dentro de un sistema de comunicación por satélite, y específicamente a un método y a un aparato para mantener un aislamiento dentro de amplificadores de múltiples puertos.

Técnica anterior

Sigue creciendo el interés en la aplicación de amplificadores de múltiples puertos (MPA) a cargas útiles de satélites de banda Ku y Ka, véase por ejemplo, A Couchman, D. Jones, “Optimized Multiport Amplifiers for Wideband Multibeam Satellites”, AIAA 24th International Communications Satellite Systems Conference, San Diego, EE.UU., junio de 2006; A. Anakabe, et aI, “Ka-band Multi-port Amplifier Characteristics for Space Telecommunication Operation”, 6th International Vacuum Electronics Conference, Noordwijk, Países Bajos, abril de 2005.

Los MPA son particularmente aplicables a arquitecturas de alimentación única por haz (SFB) que generan un conjunto de haces contiguos regulares a lo largo de una región de cobertura definida, usando un sistema de normalmente 4 reflectores de antena con bocinas de alimentación asociadas. El conjunto de haces emplea un alto grado de reutilización de frecuencia, estando cada haz generado únicamente por una bocina de alimentación correspondiente. Tales arquitecturas son sumamente eficaces de manera comparativa en términos de generación de potencia de RF. Sin embargo, están muy restringidas en cuanto a la flexibilidad con la que pueden distribuir esta potencia por el área de cobertura. La aplicación de MPA, estando cada bocina de alimentación accionada por una salida de MPA respectiva, aumentaría enormemente la flexibilidad del diseño de SFB, mejorando significativamente la flexibilidad de esta arquitectura habilitando capacidad (potencia transmitida) para realizar un seguimiento de cambios dinámicos en la distribución de tráfico a lo largo de la zona de cobertura. Podrían usarse MPA en transpondedores de banda ancha, de ancho de banda seleccionable que proporcionan una asignación flexible de potencia así como ancho de banda a todos los haces garantizando parámetros de enlace óptimos en cada caso.

Un MPA es un dispositivo de amplificador de potencia bien conocido usado para comunicaciones por satélites, que funciona en las bandas de frecuencia de microondas. Un MPA incluye un número N de unidades de amplificador similares (TWT o estado sólido) en paralelo, teniendo cada una una potencia P, de modo que cada señal de entrada se amplifica por igual por cada amplificador, para aumentar la potencia de cada señal de salida por un factor N, a PxN. Se proporcionan N puertos de entrada y N puertos de salida, de modo que una señal de entrada en un puerto de entrada se encamina al puerto de salida correspondiente. Los puertos de entrada están conectados a las unidades de amplificador mediante una red de entrada de baja potencia (INET) que puede implementarse en cualquier tecnología de línea de transmisión conveniente que sea apropiada para las circunstancias, por ejemplo, microcinta, línea de cinta, cable coaxial o guía de ondas. Los puertos de salida están conectados a las unidades de amplificador por una red de salida de alta potencia (ONET) que se implementa normalmente usando tecnología de línea de transmisión de pérdida baja. La ONET es matemáticamente recíproca a la INET, de modo que una señal presentada en la n-ésima entrada se dirige a la n-ésima salida. Cada red comprende una disposición de dispositivos de guía de ondas de división de señal. Normalmente se usan matrices o redes de Butler que sólo comprenden dispositivos híbridos para la división de señal, porque tienen propiedades de ganancia y de desplazamiento de fase convenientes. Un híbrido es un dispositivo de división de señal de cuatro puertos que comprende dos entradas y dos salidas, con desplazamientos de fase de 90º selectivos, esta diferencia de fase puede aprovecharse para mejorar las características de aislamiento de las redes. Sin embargo, pueden usarse otros híbridos y otros dispositivos de división de señal que puedan tener una diferencia de fase de 180º.

La gran ventaja de un MPA es que al proporcionar acceso a cada puerto de entrada por igual a cada amplificador, la potencia accesible disponible en cada puerto es N x P, donde P es la potencia de cada amplificador individual. Por tanto, el MPA realiza un alto grado de flexibilidad, que proporciona un amplio alcance de potencia de salida que puede compartirse de manera dinámica y de una manera sumamente flexible entre las N entradas (o haces de enlace descendente) . Sin embargo, un problema concomitante con un MPA es el de la diafonía entre puertos de salida de MPA, y en general una falta de aislamiento entre señales encaminadas a través del MPA.

Los MPA, que se han considerado por su uso en satélites de múltiples haces durante algún tiempo, se han usado satisfactoriamente en la banda L y la banda S (1, 5 – 2, 6 GHz) : véase S. Egami, M. Kawai, “An Adaptive Multiple Beam System Concept” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. SAC5, n.º 4, mayo de 1987. M. Mallison, et al, “Advanced Payload for Multibeam Satellites that Support High Data Rate Broadband Global Area Network”, AIAA, 23rd International Communications Satellite Systems Conference, Roma, septiembre de 2005. M. Tanaka, et al, “S-band Multibeam Transmitter for N-STAR”, AIAA, 16th International Communications Satellite Systems Conference, Washington, EE.UU., febrero de 1996.

Sin embargo, éstos funcionan a longitudes de onda que son aproximadamente un factor de diez mayores que las de las bandas Ku y Ka (12-20 GHz) . Los problemas de desalineación de fase y de amplitud de amplificadores individuales de un MPA en las bandas Ku/Ka, y por tanto el del aislamiento y rendimiento de combinación de señales, se vuelven considerablemente mayores y pueden hacer que se cuestione la viabilidad de hacer funcionar MPA a estas frecuencias a bordo de un satélite y a lo largo de la vida de servicio requerida.

La patente estadounidense n.º 7.088.173 da a conocer un método para realizar un ajuste fino de las relaciones de fase para un MPA, que incluye seleccionar uno de una pluralidad de patrones de prueba que detecta información de fase de una unidad de amplificador del MPA, detectar una señal de salida del patrón de prueba en una salida de MPA designada, y ajustar una relación de fase de la unidad de amplificador basándose en la señal de salida, comprendiendo el MPA una red de división de señal de entrada y una red de división de señal de salida que están configuradas en una matriz.

Sumario de la invención Un objeto de la presente invención es proporcionar un amplificador de múltiples puertos para funcionar a bandas Ku/Ka para mantener un aislamiento entre señales encaminadas a través del amplificador de múltiples puertos.

Un objeto más específico de la presente invención es proporcionar un amplificador de múltiples puertos para funcionar a bandas Ku/Ka en el que pueden monitorizarse y corregirse parámetros de fase y de ganancia, al menos con tanta frecuencia como sea necesario, para mantener relaciones de fase y de ganancia alineadas dentro del amplificador de múltiples puertos.

Para los fines de la presente memoria descriptiva, se define un amplificador de múltiples puertos como que comprende una pluralidad de unidades de amplificador de potencia de microondas, una pluralidad de puertos de entrada y una pluralidad de puertos de salida, estando los puertos de entrada conectados a dichas unidades de amplificador mediante una red de división de señal de entrada, y estando los puertos de salida conectados a dichas unidades de amplificador mediante una red de división de señal de salida, de modo que se amplifica una señal de entrada en cualquier puerto de entrada, por igual en circunstancias normales o típicas, mediante todas las unidades de amplificador, y luego se recombina en una señal de salida en un puerto de salida: tal amplificador de múltiples puertos se denominará “amplificador de múltiples puertos tal como se define en el presente documento”.

En un primer aspecto, la invención proporciona un método de mantenimiento de aislamiento de señales dentro de un amplificador de múltiples puertos tal como se define en la reivindicación 1.

En un segundo aspecto, la invención proporciona un amplificador de múltiples puertos tal como se define en la reivindicación 7.

Puesto que, según la invención, se proporcionan específicamente bucles de control de retroalimentación, pueden llevarse a cabo ajustes de fase y de ganancia con tanta frecuencia como se... [Seguir leyendo]

1. Método de mantenimiento de un aislamiento dentro de un amplificador de múltiples puertos para un satélite de comunicaciones, comprendiendo el amplificador de múltiples puertos una pluralidad de unidades de amplificador de potencia de microondas, una pluralidad de puertos de entrada y una pluralidad de puertos de salida, estando los puertos de entrada conectados a dichas unidades de amplificador por una red de división de señal de entrada (INET) , y estando los puertos de salida conectados a dichas unidades de amplificador por una red de división de señal de salida (ONET) , en el que dicha red de división de señal de entrada (INET) está configurada en una matriz e incluye una primera columna de híbridos de entrada (J, K, L M) , estando cada híbrido de entrada de la primera columna conectado a un par de unidades de amplificador adyacentes primera y segunda (A1/A2…A7/A8) de dicha pluralidad de unidades de amplificador, de modo que una señal de entrada en cualquier puerto de entrada se amplifica por todas las unidades de amplificador, y luego se recombina en una señal de salida en un puerto de salida, comprendiendo el método:

proporcionar a al menos una de dichas unidades de amplificador medios de ajuste de ganancia y medios de ajuste de fase,

proporcionar un bucle de control de retroalimentación que se extiende desde (un) nodo (s) preseleccionado (s) en dicha red de división de señal de salida hasta dichos medios de ajuste de ganancia y medios de ajuste de fase,

inyectar una señal piloto en dicha red de división de señal de entrada (INET) , y

detectar dicha señal piloto en dicho (s) nodo (s) preseleccionado (s) , de modo que dicho bucle de retroalimentación proporcione señales de ajuste de ganancia y de fase dependiendo del valor de la señal piloto detectada,

en el que dicha red de división de señal de salida (ONET) incluye una primera columna de híbridos de salida (a, b, c, d) , estando cada híbrido de salida de la primera columna conectado al par de unidades de amplificador adyacentes primera y segunda (A1/A2…A7/A8) de dicha pluralidad de unidades amplificador y teniendo al menos una de las unidades de amplificador adyacentes primera y segunda medios de ajuste de ganancia y medios de ajuste de fase, y

en el que dicho (s) nodo (s) preseleccionado (s) comprende (n) un puerto de salida de uno de dichos híbridos de salida (a, b, c, d) de la primera columna, en el que se produce un nulo de señal de dicha señal piloto,

en el que la alineación de ganancia y de fase se lleva a cabo en un procedimiento que comprende introducir una iteración de aumentos de fase en dichos medios de ajuste de fase para identificar un valor nulo que o bien es menor que un valor requerido o bien es un valor mínimo, mientras se mantiene constante el ajuste de ganancia.

2. Método según la reivindicación 1, en el que la profundidad del nulo dependen de los desajustes de ganancia y de fase.

3. Método según la reivindicación 2, en el que la profundidad del nulo depende de una función logarítmica que incluye factores de fase y de ganancia.

4. Método según la reivindicación 1, 2 ó 3, comprendiendo dicho procedimiento además introducir una iteración de aumentos de ganancia en dichos medios de ajuste de ganancia para identificar un valor nulo que o bien es menor que dicho valor requerido o bien es un valor mínimo, mientras se mantiene constante el ajuste de fase.

5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en el que dicha red de división de señal de entrada (INET) incluye una segunda columna de híbridos de entrada (E, F, G, H) acoplados a los híbridos de dicha primera columna de la red de división de señal de entrada (INET) , y una tercera columna de híbridos de entrada (A, B, C, D) acoplados a los híbridos de dicha segunda columna de la red de división de señal de entrada (INET) , y

en el que dicha red de división de señal de salida (ONET) está configurada en un matriz que incluye dicha primera columna de híbridos de salida (a, b, c, d) , una segunda columna de híbridos de salida (e, f, g, h) acoplados a los híbridos de dicha primera columna de la red de división de señal de salida, y en el que un segundo nodo preseleccionado comprende un puerto de salida de un híbrido de salida en dicha segunda columna, en el que se produce un nulo de señal adicional, y una tercera columna de híbridos de salida (j, k, l, m) acoplados a los híbridos de dicha segunda columna de la red de división de señal de salida (ONET) , y en el que un tercer nodo preseleccionado comprende un puerto de salida de un híbrido de salida en dicha tercera columna, en el que se produce un nulo de señal adicional, y

el método comprende además proporcionar un segundo bucle de control de retroalimentación que se extiende desde dicho segundo nodo preseleccionado en dicha red de división de señal de salida (ONET) hasta unos medios de ajuste de ganancia y unos medios de ajuste de fase de una de dichas unidades de amplificador;

proporcionar un tercer bucle de control de retroalimentación que se extiende desde dicho tercer nodo en dicha red de división de señal de salida (ONET) hasta unos medios de ajuste de ganancia y unos medios de ajuste de fase en una de dichas unidades de amplificador, y,

en una primera etapa, dichas unidades de amplificador adyacentes primera y segunda de un par están alineadas tanto en fase como en ganancia por medio del bucle de retroalimentación mencionado en primer lugar, y pares adicionales de unidades de amplificador adyacentes, que tienen asociados medios de ajuste de ganancia y medios de ajuste de fase están alineadas tanto en fase como en ganancia, teniendo cada uno de dichos pares adicionales un primer bucle de control de retroalimentación asociado,

en una segunda etapa, un grupo de unidades de amplificador, que comprende una pluralidad de pares de unidades de amplificador adyacentes, están alineadas tanto en fase como en ganancia, por medio de dicho segundo bucle de control de retroalimentación,

en una tercera etapa, una pluralidad de grupos de unidades de amplificador, comprendiendo cada uno una pluralidad de pares de unidades de amplificador adyacentes, están alienadas tanto en fase como en ganancia, por medio de dicho tercer bucle de control de retroalimentación, y

dichas etapas primera, segunda y tercera se repiten de manera recursiva hasta que consigue una alineación de fase y de ganancia deseada para todas las unidades de amplificador.

6. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha señal piloto es una de una onda CW de valor constante, una CW que conmuta en frecuencia a lo largo del tiempo, y una portadora que se modula por una secuencia de espectro ensanchado.

7. Amplificador de múltiples puertos que comprende:

una pluralidad de unidades de amplificador de potencia de microondas;

una pluralidad de puertos de entrada; y

una pluralidad de puertos de salida, estando los puertos de entrada conectados a dichas unidades de amplificador por una red de división de señal de entrada (INET) , y estando los puertos de salida conectados a dichas unidades de amplificador por una red de división de señal de salida (ONET) , en el que dicha red de división de señal de entrada (INET) está configurada en una matriz e incluye una primera columna de híbridos de entrada (J, K, L, M) , estando cada híbrido de entrada de la primera columna conectado a un par de unidades (A1/A2...A7/A8) de amplificador adyacentes primera y segunda de dicha pluralidad de unidades de amplificador, de modo que una señal de entrada en cualquier puerto de entrada se amplifica por todas las unidades de amplificador, y luego se recombina en una señal de salida en un puerto de salida,

en el que al menos una de dichas unidades de amplificador incluye medios de ajuste de ganancia y medios de ajuste de fase,

comprendiendo el amplificador de múltiples puertos además un bucle de control de retroalimentación que se extiende desde (un) nodo (s) preseleccionado (s) en dicha red de división de señal de salida (ONET) con el fin de proporcionar señales de ajuste a dichos medios de ajuste de ganancia y dichos medios de ajuste de fase, en respuesta a una señal piloto inyectada en dicha red de división de señal de entrada (INET) ,

en el que dicha red de división de señal de salida (ONET) incluye una primera columna de híbridos de salida (a, b, c, d) , estando cada híbrido de salida de la primera columna conectado al par de unidades de amplificador adyacentes primera y segunda (A1/A1…A7/A8) de dicha pluralidad de unidades de amplificador y teniendo al menos una de las unidades de amplificador primera y segunda (A1/A1…A7/A8) medios de ajuste de ganancia y medios de ajuste de fase, y

en el que dicho (s) nodo (s) preseleccionado (s) comprende (n) un puerto de salida de dichos híbridos de salida (a, b, c, d) de la primera columna, en la que se produce un nulo de señal de dicha señal piloto,

en el que dicho bucle de control de retroalimentación está configurado para llevar a cabo la alineación de ganancia y de fase según la reivindicación 1.

8. Amplificador de múltiples puertos según la reivindicación 7, en el que la profundidad del nulo depende de los desajustes de ganancia y de fase de dichas unidades de amplificador.

9. Amplificador de múltiples puertos según la reivindicación 7 u 8, en el que dicho bucle de control de retroalimentación incluye un acoplador acoplado a dicho nodo preseleccionado, para detectar dicha señal piloto en el nodo preseleccionado, y el amplificador de múltiples puertos incluye un acoplador adicional conectado a un nodo adyacente para proporcionar una señal de referencia, para fines de calibración.

10. Amplificador de múltiples puertos según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que el bucle de control de retroalimentación incluye medios de mezcla para mezclar una señal piloto detectada con una señal de oscilador local, y que incluye medios detectores para detectar la señal piloto heterodinada.

11. Amplificador de múltiples puertos según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el bucle de control de retroalimentación incluye medios de conversión de digital a analógico para convertir la señal piloto detectada a una forma digital, y medios de procesamiento de señal digital operativos para calcular una función que incluye factores de fase y de ganancia, que representa la profundidad de un nulo para generar dichas señales de ajuste.

12. Amplificador de múltiples puertos según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en el que dicha red de división de señal de salida (ONET) está configurada en una matriz, que incluye dicha primera columna de dichos híbridos de salida (a, b, c, d) , y en el que pares adicionales de unidades de amplificador adyacentes (A1/A2…A7/A8) de dicha pluralidad de unidades de amplificador tienen asociados medios de ajuste de ganancia asociados y medios de ajuste de fase, y teniendo cada par adicional de este tipo un primer bucle de control de retroalimentación asociado.

13. Amplificador de múltiples puertos según la reivindicación 12, en el que dicha red de división de señal de entrada (INET) incluye una segunda columna de híbridos de entrada (E, F, G, H) acoplados a los híbridos de dicha primera columna de la red de división de señal de entrada (INET) , y dicha red de división de señal de salida (ONET) incluye una segunda columna de híbridos de salida (e, f, g, h) acoplados a los híbridos (a, b, c, d) de dicha primera columna de la red de división de señal de salida (ONET) , y en el que un segundo nodo preseleccionado comprende un puerto de salida de un híbrido de salida en dicha segunda columna, en el que se produce un nulo de señal adicional, e incluyendo el amplificador un segundo bucle de control de retroalimentación que se extiende desde dicho segundo nodo preseleccionado en dicha red de división de señal de salida (ONET) hasta unos medios de ajuste de ganancia y unos medios de ajuste de fase de una de dichas unidades de amplificador.

14. Amplificador de múltiples puertos según la reivindicación 13, en el que dicha red de división de señal de entrada (INET) incluye una tercera columna de híbridos de entrada (A, B, C, D) acoplados a los híbridos de dicha segunda columna de la red de división de señal de entrada (INET) y dicha red de división de señal de salida (ONET) incluye una tercera columna de híbridos de salida (J, K, L, M) acoplados a los híbridos de dicha segunda columna de la red de división de señal de salida (ONET) , y en el que un tercer nodo preseleccionado comprende un puerto de salida de un híbrido de salida en dicha tercera columna, en el que se produce un nulo de señal, e incluyendo el amplificador un tercer bucle de control de retroalimentación que se extiende desde dicho tercer nodo en dicha red de división de señal de salida (ONET) hasta unos medios de ajuste de ganancia y unos medios de ajuste de fase de una de dichas unidades de amplificador.

15. Amplificador de múltiples puertos según la reivindicación 13 ó 14, en el que elementos de los bucles de retroalimentación se comparten por medio de medios de conmutación.