專利名稱：用于匹配天線的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線電設(shè)備的天線的匹配，并且其包括匹配裝置和方法。本發(fā)明尤其是意在用于小型移動終端。
背景技術(shù)：
將無線電設(shè)備的天線的阻抗與對所述天線進行饋送的發(fā)射器的功率放大器進行匹配是傳輸技術(shù)中的正常設(shè)置。利用匹配，可以使得天線的輻射功率盡可能高地與功率放大器的功率成比例。天線的匹配越差，從所述天線向功率放大器反射的場強度就越高，該場強度與向該天線傳播的場強度成比例。如果即使在匹配退化的情況下也希望有特定的發(fā)射功率，則必須要提高功率放大器的增益，這將導(dǎo)致電流消耗增加并且可能導(dǎo)致使得輸出級發(fā)熱的問題。天線匹配可能由于外部和內(nèi)部的原因而出現(xiàn)退化。如果設(shè)備接近某一導(dǎo)電物體， 天線的阻抗就會變化。類似地，用戶的頭部以及移動終端在連接期間通常處于其中的手部也會導(dǎo)致阻抗的明顯變化。此外，在多頻帶天線的情況下，改變操作頻帶會改變天線的阻抗，這意味著匹配發(fā)生變化。針對這類事實，有利的是使得天線匹配能夠以其每次變化與環(huán)境相符的方式進行適配。這需要向天線的饋送電路增加可調(diào)節(jié)的匹配電路。通常，所述匹配電路根據(jù)從天線所反射的場強度的信息進行控制，從而天線匹配始終是盡可能良好的。圖I和2中是從公開文本W(wǎng)02008/129125所知的可適配匹配的示例。圖I示出了無線電設(shè)備的發(fā)射端的框圖，而圖2示出了屬于發(fā)射端的匹配電路。在圖I中看到發(fā)射器的傳輸路徑，該傳輸路徑包括在信號傳播方向串行連接的發(fā)射器的功率放大器PA、定向耦合器120、電抗匹配電路130、雙工器DP和天線140。傳輸方向利用雙工器分隔開來；從天線接收的信號經(jīng)濾波被導(dǎo)向接收器的低噪聲放大器LNA。定向耦合器和匹配電路屬于天線的匹配裝置，所述匹配裝置進一步包括控制單元150。天線匹配永遠不會是完美的，所以傳播到天線的場ff的特定部分re被反射回來。 定向耦合器提供兩個測量信號與從其端口 P3所接收的反射場成比例的射頻電壓VRE以及與從其端口 P4所接收的傳播場成比例的射頻電壓VFF。這些測量信號在控制單元150 中被轉(zhuǎn)換為直流電壓并且進一步被轉(zhuǎn)換為二進制位。此外，指示當(dāng)前操作頻帶的頻帶信號 BND以及與發(fā)射功率的設(shè)置值成比例的功率信號PWR被導(dǎo)向控制單元?？刂茊卧妮敵鲂盘朣ET被連接到匹配電路130，它們隨后作為所述匹配電路130的控制信號。匹配電路130的組件值利用多路開關(guān)進行選擇，所述多路開關(guān)具有特定總數(shù)的狀態(tài)組合。控制單元150以規(guī)律的間隔執(zhí)行調(diào)節(jié)過程。過程中的啟動時刻的間隔例如為10 ms。天線的駐波比或SWR從定向耦合器所提供的測量信號VRE和VFF獲得。SWR越高，匹配就越差。根據(jù)SWR值、頻帶信號BND的狀態(tài)以及功率信號PWR的狀態(tài)，控制單元從開關(guān)狀態(tài)組合的總陣列選擇基本上較小的陣列。在匹配過程中，匹配電路的開關(guān)進而被設(shè)置為屬于所述較小陣列的每種狀態(tài)組合，并且在每種設(shè)置中讀取發(fā)射信號的SWR值。最后，控制單元在過程中將開關(guān)設(shè)置為其組合對應(yīng)于所獲得的最低SWR值的狀態(tài)。
在圖2中存在匹配電路130的原則性結(jié)構(gòu)。匹配電路是Π形網(wǎng)絡(luò)，其于是依次包括第一橫向部分131、縱向部分132和第二橫向部分133?？v向部分是簡單的。其由與天線傳輸路徑的單獨導(dǎo)線(conductor) SCR串聯(lián)的電抗元件XS所構(gòu)成，該元件具有特定的恒定電容或電感。每個橫向部分包括至少一個具有多個狀態(tài)的多路開關(guān)SW1、SWM，其共用端子率禹合到單獨導(dǎo)線SCR,并且每個換向(change-over)端子通過電抗元件X1、X2、XN稱合到傳輸路徑的接地導(dǎo)線或信號接地GND。每個開關(guān)可以通過來自控制單元150的匹配電路的控制SET而被單獨設(shè)置為任意狀態(tài)。在圖2中，每個橫向部分中的開關(guān)數(shù)量由符號M所標(biāo)記。 如果每個開關(guān)所要選擇的電抗元件的數(shù)量為N，則狀態(tài)組合的總數(shù)為N2M。例如，如果M為2 且N為4，則狀態(tài)組合的總數(shù)為256。第一和第二橫向部分中的開關(guān)數(shù)量可以不相等，并且一個開關(guān)所要選擇的電抗元件的數(shù)量獨立于其它開關(guān)的相應(yīng)數(shù)量。在傳輸路徑的每個開關(guān)和單獨導(dǎo)線SCR之間存在電路LCC，其目標(biāo)通常是用作開關(guān)的ESD (靜電放電)保護器。此外，在需要時，屬于LC電路的串聯(lián)電容器用作防止由于通過導(dǎo)線SCR的開關(guān)控制而形成直流電路的阻塞電容器。匹配電路的橫向部分中的分支自然也能夠被反轉(zhuǎn)以使得開關(guān)的共用端子連接到接地導(dǎo)線并且每個電抗元件的一端被連接到傳輸路徑的單獨導(dǎo)線，所述每個分支包括換向開關(guān)和可供選擇的(alternative)電抗元件。于是，一次 在傳輸路徑的導(dǎo)線之間連接一個電抗元件。以上所描述的解決方案的缺陷在于，被用于測量天線不匹配的定向耦合器的線性操作范圍相對有限。此外，定向耦合器位于發(fā)射信號的傳輸路徑上，這意味著發(fā)射器中特定的額外損耗。缺陷還在于調(diào)節(jié)算法相對復(fù)雜，而沒有顧及所考慮的開關(guān)狀態(tài)組合的數(shù)量在調(diào)節(jié)的早期階段有所減少的事實。該解決方案另外的缺陷在于它不適用于接收器匹配的調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是以減少以上所提到的缺陷的方式實施可適配的天線匹配。根據(jù)本發(fā)明的裝置的特征在于其在獨立權(quán)利要求I中所指定。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于其在獨立權(quán)利要求12中所指定。本發(fā)明的一些有利實施例在從屬權(quán)利要求中給出。本發(fā)明的基本構(gòu)思如下在天線結(jié)構(gòu)中設(shè)置電容傳感器以用于檢測天線周圍的電氣變化(electric change)。利用與傳感器的電容成比例的信號對變化所導(dǎo)致的不匹配進行矯正。該電容以及當(dāng)前使用的頻率范圍是控制單元的輸入變量。利用Π形的電抗匹配電路對天線阻抗進行調(diào)節(jié)，其組件值可以利用換向開關(guān)從相對寬的選項(alternative)陣列中進行選擇，所述換向開關(guān)僅位于所述匹配電路的橫向部分中?？刂茊卧砸?guī)律的間隔執(zhí)行調(diào)節(jié)過程，其根據(jù)該過程的結(jié)果選擇匹配電路的組件值的組合并且對所述開關(guān)進行設(shè)置。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，雖然從雙工器朝向天線的阻抗將出于外部原因或者由于帶交換而力圖改變，但是天線匹配保持相對良好。保持該阻抗使得發(fā)射器的平均效率有所提高， 功率放大器中諧波頻率分量發(fā)生的水平降低，并且發(fā)射器中濾波器的功能變得更加線性。 本發(fā)明的另一優(yōu)勢在于，發(fā)射器的傳輸路徑中不需要定向耦合器和串聯(lián)調(diào)節(jié)組件，在這樣的情況下，傳輸路徑的損耗有所降低并且發(fā)射器的效率也由于該原因為有所提高。本發(fā)明另外的優(yōu)勢在于其還能夠被用于接收期間的天線匹配。本發(fā)明另外的優(yōu)勢在于調(diào)節(jié)過程所要使用的算法與已知算法相比相對簡單且快速。


以下對本發(fā)明進行詳細描述?，F(xiàn)在將參見附圖，其中圖I以框圖呈現(xiàn)了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的可適配匹配的示例，
圖2呈現(xiàn)了圖I中的匹配電路的結(jié)構(gòu)的示例，
圖3以框圖呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的裝置的示例；
圖4a、b呈現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)中屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器的示例，
圖5呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二示例，
圖6呈現(xiàn)了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的匹配電路的示例， 圖7以框圖呈現(xiàn)了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的控制電路的原則性結(jié)構(gòu)，
圖8以流程圖呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的方法的示例，
圖9利用反射系數(shù)呈現(xiàn)了利用根據(jù)本發(fā)明的裝置改進天線匹配的示例，
圖10利用反射系數(shù)呈現(xiàn)了利用根據(jù)本發(fā)明的裝置改進天線匹配的另一個示例，
圖11利用史密斯圖呈現(xiàn)了利用根據(jù)本發(fā)明的裝置改進天線匹配的示例，
圖12呈現(xiàn)了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器的第三示例，和圖13呈現(xiàn)了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器的第四示例。已經(jīng)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)的描述對圖I和2進行了解釋。
具體實施方式
圖3以框圖示出了無線電設(shè)備中根據(jù)本發(fā)明的裝置的示例。在圖中看到所述無線電設(shè)備的天線端的傳輸路徑，該路徑包括雙工器310、電抗第一匹配電路330和天線340自身。傳輸方向被雙工器分隔開來；要饋送至天線的信號從發(fā)射器的功率放大器PA來到天線，并且從天線所接收的信號經(jīng)濾波從雙工器導(dǎo)向低噪聲放大器LNA。例如，當(dāng)使用TDD技術(shù)(時分雙工)時，雙工器在結(jié)構(gòu)上是多路開關(guān)。此外，在圖3中看到第二匹配電路360，其連接在天線輻射器中的特定點與天線的接地面之間。圖3中的虛線意味著從本發(fā)明的觀點來看第二匹配電路并非是必需的。匹配電路330、360被控制單元350所控制。接近于天線的輻射器存在電容傳感器370。其連接到電容單元380，所述電容單元 380將傳感器的電容CSE轉(zhuǎn)換為其電平與所述電容成比例的二進制信號CAP。所述電容使用饋送向它的低頻(例如，35 kHz)電流進行測量。該電容信號CAP被導(dǎo)向控制單元350的輸入。傳感器、電容單元、控制單元和第一匹配電路構(gòu)成了根據(jù)本發(fā)明的匹配裝置。與天線周邊的變化相關(guān)的信息由傳感器進行獲取。如果諸如用戶手指之類的導(dǎo)電和/或電介質(zhì)物體接近天線，則天線的阻抗會有所變化。而且，傳感器的電容CSE由于相同原因而變化，并且因此其可以在對天線匹配進行矯正時使用。在圖3中，控制單元的第二輸入信號是從整個無線電設(shè)備的控制部分所接收的頻帶信號BND，該信號指示正在使用的當(dāng)前頻率范圍。載波頻率已經(jīng)有了相對小的變化，例如從GSM850系統(tǒng)(全球移動通信系統(tǒng)) 的頻帶到GSM900系統(tǒng)的頻帶，使得天線中的阻抗明顯變化，出于該原因必須對匹配進行矯正。
控制單元的輸出SET連接至第一 330和第二 360匹配電路以便選擇它們中的電抗?？刂茊卧砸?guī)律的間隔執(zhí)行依據(jù)特定算法的調(diào)節(jié)過程，在該過程中，第一匹配電路的控制根據(jù)電容信號CAP和頻帶信號BND的電平或值來確定。第二匹配電路360主要根據(jù)頻帶信號BND進行控制。當(dāng)GSM850系統(tǒng)交換至GSM900系統(tǒng)時或者反之亦然，天線的操作頻帶利用第二匹配電路進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，天線匹配由此得以改進。圖4a和4b示出了天線結(jié)構(gòu)中屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器的示例。圖4a示出了具有傳感器的整個天線，而圖4b示出了天線裸露的主輻射器或輻射主元件。在圖中看到無線電設(shè)備中其天線所位于的一端。天線的輻射器具有電介質(zhì)框架FRM的導(dǎo)電涂層，其在這里形成了設(shè)備末端部分的覆蓋。輻射器的支撐框架也可以是例如單獨的柔性雙層電路板。在該示例中，天線包括兩個輻射元件，其中為天線饋送點FP的主元件441以及寄生元件442。而且，接地面GND屬于天線，該面位于無線電設(shè)備的電路板上的輻射器之下。主元件還從第一短路點SPl連接到接地面，并且寄生元件從一端的第二短路點SP2連接到接地面。從其短路點SPl來看，主元件分叉到不同長度的兩臂以實現(xiàn)天線的兩個操作頻帶。對應(yīng)于主元件的較長臂的天線部分在較低操作頻帶中諧振，并且對應(yīng)于主元件的較短臂的天線部分在較高操作頻帶中諧振。而且，對應(yīng)于寄生元件的天線部分在使得該頻帶加寬的較高操作頻帶中諧振。傳感器470由第一 471和第二 472電極所構(gòu)成，所述第一和第二電極是天線框架 FRM的外表面上的不同導(dǎo)線條。所述導(dǎo)線條彼此接近以使得它們之間存在比不同雜散電容 (stray capacitance)明顯更高的電容。線圈LI ;L2與每個電極串聯(lián),它在其與線路的導(dǎo)線之間將傳感器連接到電容單元380。這些線圈的阻抗在射頻下非常高。因此，在傳感器和電容單元380之間的線路中不會生成射頻電流，并且傳感器的電路于是并不會導(dǎo)致?lián)p耗并改變天線阻抗。
傳感器在其近場空間中定位得接近于天線的主元件。此外，傳感器位于主元件的電場在其較低諧振頻率下具有最小值的區(qū)域中，在這樣的情況下，傳感器使得天線功能的退化盡可能小。所討論的區(qū)域位于主元件的較長臂的中部。為了避免傳感器條和主元件之間的短路，主元件的較長臂的中部441b位于框架FRM的內(nèi)表面上。該中部通過彼此充分接近的傳導(dǎo)通路將主元件的較長臂的起始部441a和尾部441c相接合。可替換地，主元件將完全位于框架的外表面上，并且傳感器將通過電介質(zhì)層與之絕緣。在圖4a的示例中，天線的主輻射器441還具有接地點GP，其意在從所述接地點通過圖3中可見的第二匹配電路360連接到接地面。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二示例。天線的主輻射器或主元件541是電介質(zhì)框架FRM的導(dǎo)電涂層。其它元件是不可見的，但是可以處于該結(jié)構(gòu)之中。主元件從饋送點FP連接到無線電設(shè)備的天線端口，并且從短路點SP連接到接地面GND。而且，在該示例中，從其短路點SP來看，主元件分叉為用于實現(xiàn)較低操作頻帶的較長臂以及用于實現(xiàn)較高操作頻帶的較短臂AR2。傳感器570由兩個電極所構(gòu)成，所述電極在該實施例中是主元件541的較長臂的部分。第一電極是較長臂的中部541b，而第二電極是較長臂的尾部541c。出于該目的，中部 541b與主元件的其余部分541a以及尾部541c電隔離(galvanically separated)。然而， 該中部通過電容器C51耦合到主元件的其余部分541a并且通過電容器C52耦合到尾部，它們的電容例如為70 pF0這些電容器的阻抗于是在射頻下非常低(大約2 Ω)，出于該原因， 主元件的較長臂在操作頻帶中結(jié)合(united)。在傳感器的使用頻率(35 kHz),這些電容器的阻抗大約為20 kQ，這表示電極之間的良好隔離。中部541b和尾部541c幾乎平行定位以使得它們之間具有適當(dāng)?shù)碾娙軨SE。線圈LI ；L2與每個電極串聯(lián)，所述線圈的阻抗在射頻下非常高。因此，在傳感器和電容單元之間的線路中不會生成射頻電流，并且傳感器的電路于是不會導(dǎo)致?lián)p耗并改變天線阻抗。在該示例中，傳感器位于其中主元件的電場在其較低諧振頻率相對強的區(qū)域中。 由于用戶手指在通信期間通常的位置，弱電場的區(qū)域在這里不是那么有用。圖6示出了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的匹配電路的簡單示例。在該示例中，要連接在接地點GP和接地面之間的第二匹配電路660以及天線傳輸路徑上的第一匹配電路630 都存在。第一匹配電路是Π形網(wǎng)絡(luò)，其于是依次包括第一橫向部分、縱向部分和第二橫向部分。每個橫向部分包括一個換向開關(guān)，并且每個開關(guān)所要選擇的電抗元件的數(shù)目為四個。 在這種情況下，第一匹配電路的狀態(tài)組合的總數(shù)為16。第一開關(guān)SWl的第一電抗元件是電容器C61，換句話說，開關(guān)SWl的第一換向端子通過該電容器C61連接到傳輸路徑的接地導(dǎo)線或信號接地GND。相應(yīng)地，第一開關(guān)的第二電抗元件是電容器C62，第三“電抗元件”是隨后表示非常高的電抗的開路，而第四電抗元件是線圈L61。與線圈L61串聯(lián)的是用于使得直流路徑脫離開關(guān)控制的阻塞電容器CB。該阻塞 電容器的電容如此高，例如100 pF，以使得它們在天線的操作頻率下幾乎構(gòu)成短路。第二開關(guān)SW2的第一電抗元件是隨后表示非常高的電抗的開路。第二開關(guān)的第二電抗元件是電容器C63，第三電抗元件是電容器C64而第四電抗兀件是線圈L62。與線圈L62串聯(lián)的是阻塞電容器CB。第一匹配電路的縱向部分由與傳輸路徑的單獨導(dǎo)線SCR的部分串聯(lián)的電容器C6S所構(gòu)成。在開關(guān)SWl的共用端子和單獨導(dǎo)線SCR之間存在電容器C65，并且在該電容器在導(dǎo)線SCR —側(cè)的端部和接地面之間存在線圈L63。相應(yīng)地，在開關(guān)SW2的共用端子和單獨導(dǎo)線SCR之間存在電容器C66，并且在該電容器在導(dǎo)線SCR —側(cè)的端部和接地面之間存在線圈L64。LC電路C65-L63和C66-L64用作開關(guān)的ESD保護器。此外，電容器C65和C66用作防止從開關(guān)SWl和SW2的控制到導(dǎo)線SCR形成直流電路的阻塞電容器。第一開關(guān)SWl由第一控制信號SETl進行設(shè)置，而第二開關(guān)SW2由第二控制信號 SET2進行設(shè)置。這些控制信號是二比特的二進制位，對應(yīng)于開關(guān)選項的數(shù)量。在第二匹配電路600中存在第三開關(guān)SW3以及要由該開關(guān)所選擇的四個可供選擇的電抗元件。第一電抗元件是裸露阻塞電容器，其在射頻下表示短路或非常低的電抗。第二電抗元件是電容器C67，第三電抗元件是隨后表示非常高的電抗的開路，而第四電抗元件是線圈L65，與之串聯(lián)的有阻塞電容器CB。在開關(guān)SW3的共用端子和輻射器的接地點GP之間存在電容器C68，并且該電容器在接地點GP —側(cè)的端部和接地面之間存在線圈L66。電路C68-L66用作該開關(guān)的ESD保護器。此外，電容器C68用作防止形成通過輻射器從開關(guān) SW3的控制到接地的直流電路的阻塞電容器。第三開關(guān)SW3由第三控制信號SET3進行設(shè)置，其在該示例中為二比特的二進制位。圖7以框圖示出了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的控制單元的原則性結(jié)構(gòu)的示例?？刂茊卧?50基于處理器，在這種情況下，其包括提供有存儲器MEM的中央處理單元751。該中央處理單元通過總線連接到接口端口。所述端口的一部分被用作輸入接口 752，而其它部分則被用作輸出接口 753?？刂茊卧妮斎胄盘柺请娙菪盘朇AP和頻帶信號BND。中央處理單元751從輸入接口 752讀取它們。選擇作為調(diào)節(jié)過程結(jié)果的與(一個或多個)匹配電路中的開關(guān)狀態(tài)組合相對應(yīng)的控制數(shù)據(jù)SET由中央處理單元傳輸至輸出接口 753，所述接口將所述數(shù)據(jù)進一步發(fā)送到(一個或多個)匹配電路?？刂茊卧拇鎯ζ鱉EM包含i. a.匹配程序PRG，該程序依據(jù)特定算法實施匹配的調(diào)節(jié)過程。所述過程同樣以規(guī)律的間隔啟動，并且啟動的間隔由中央處理單元751中所包括的軟件或計時器電路進行計數(shù)。當(dāng)然，中央處理器在任何情況下都需要時鐘信號CLK。在結(jié)構(gòu)上，控制單元也可以是裸露硬件邏輯，而沒有任何適當(dāng)具有軟件的中央處
理單元。圖8以流程圖示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的示例。在啟動步驟801，控制單元和匹配電路被初始化為特定基本、狀態(tài)。在步驟802和803，進行等待直到用于啟動天線匹配的調(diào)節(jié)過程的最終期限終止。在步驟804，通過讀取頻帶信號BND和電容信號CAP的值找出傳感器的電容和當(dāng)前頻率范圍。在步驟805，根據(jù)所述頻帶信號和電容信號的值從(一個或多個)匹配電路中開關(guān)的狀態(tài)組合的總體陣列中選擇按照推測最優(yōu)的狀態(tài)組合。最后，在步驟 806，將匹配電路中的開關(guān)設(shè)置為以上所選擇的狀態(tài)。最優(yōu)狀態(tài)組合意味著天線匹配利用其在當(dāng)前環(huán)境下盡可能好的那種組合。在對阻抗進行匹配時，從圖3中所見的雙工器對天線的影響在于意在具有與額定阻抗相同的值。在步驟806之后，返回步驟802以等待該過程的下一次執(zhí)行回合的啟動時刻。所述啟動時刻的間隔例如是10 ms O該過程的持續(xù)時間相當(dāng)短，例如I ms。在調(diào)節(jié)過程中依據(jù)特定算法進行開關(guān)的狀態(tài)組合的搜索。所述算法可以基于其中已經(jīng)存儲了對應(yīng)于輸入信號的不同值的最優(yōu)狀態(tài)組合的表。輸入信號隨后被用來對所述表所在的存儲器進行尋址。搜索和測量活動是在表形成(通過該活動找出足夠程度的Π形匹配電路，換句話說，通過該活動找出橫向部分的數(shù)量以及每個部分中可供選擇的電抗的數(shù)量和所述電抗的有利組件值)之前。圖9中是利用反射系數(shù)示出的對被提供以根據(jù)本發(fā)明的裝置的天線進行匹配的示例。天線如圖4a中的天線，并且所述裝置包括如圖6中的第一和第二匹配電路。這些電路的組件值如下C6S = 5. I pF, C61 = 1.6 pF, C62 = 4. 3 pF, L61 = 2. 7 nH, C63 = 1.6 pF, C64 = 4. 3pF, L62 = 2. 7 nH, C67 = 1.0 pF，并且 L65 = 2. 7 nH。每個 CB = 100 pF。 (這里，符號Cij表示特定組件及其電容，相應(yīng)地Lij)。該示例涉及GSM850系統(tǒng)的824 -894 MHz的頻率范圍中的匹配，該范圍已經(jīng)在圖9中被標(biāo)記為Wl。曲線91示出了作為天線幾乎處于自由空間時的頻率的函數(shù)的反射系數(shù)Sll的波動。開關(guān)SWl處于狀態(tài)“I”且開關(guān)SW2處于狀態(tài)“2”。從該曲線看出，在頻率范圍Wl中，反射系數(shù)在值-6. 4 dB和-19. 4 dB之間變化，大約平均為-12 dB。曲線92示出了當(dāng)用戶的手指在輻射器上的天線時的反射系數(shù)波動，并且開關(guān)處于與之前相同的狀態(tài)。從該曲線看出，在頻率范圍Wl中，反射系數(shù)在值-6. O dB和-7.0 dB之間變化，大約平均為-6. 5 dB。 因此，匹配已經(jīng)明顯退化。曲線93示出了當(dāng)用戶手指仍然處于輻射器上的相同位置并且第一匹配電路的開關(guān)以新的方式設(shè)置時的反射系數(shù)波動?，F(xiàn)在，開關(guān)SWl處于狀態(tài)“2”且開關(guān)SW2處于狀態(tài)“4”。從該曲線看出，在頻率范圍Wl中，反射系數(shù)在值-8. 3 dB和-16.5 dB 之間變化，大約平均為13 dB。因此，匹配明顯改善。圖10中是利用反射系數(shù)示出的對被提供以根據(jù)本發(fā)明的裝置的天線進行匹配的另一個示例。該示例涉及與圖9的示例相同的天線和匹配裝置，頻率范圍現(xiàn)在是擴展的 GSM900系統(tǒng)所使用的880-960 MHz。該范圍已經(jīng)在圖10中被標(biāo)記為W2。曲線Al示出了作為天線幾乎處于自由空間時的頻率的函數(shù)的反射系數(shù)Sll的波動，曲線A2示出了用戶的手指在輻射器上的天線時的反射系數(shù)波動，并且曲線A3示出了用戶手指仍然處于輻射器上的相同位置并且匹配電路的開關(guān)以新的方式進行設(shè)置時的反射系數(shù)波動。在第一種情況下，開關(guān)SWl處于狀態(tài)“I”且開關(guān)SW2處于狀態(tài)“2”。頻率范圍W2中的反射系數(shù)大約平均為-22 dB。在第二種或不匹配的情況下，開關(guān)不發(fā)生變化并且反射系數(shù)大約平均為-8 dB。 在第三種情況下，開關(guān)SWl被設(shè)置為狀態(tài)“2”且開關(guān)SW2保持在狀態(tài)“2”。從曲線A3看出， 反射系數(shù)大約平均為-17 dB。因此，匹配電路的控制已經(jīng)明顯改善了匹配。如所提到的，在頻帶信號BND的值變化時，通過根據(jù)該值調(diào)諧天線的諧振頻率而使用第二匹配電路660來改善匹配。當(dāng)使用GSM850時(圖9)，開關(guān)SW3處于狀態(tài)“ 1”，其將較低操作頻帶調(diào)諧至所述范圍Wl。當(dāng)使用GSM900時(圖10)，開關(guān)SW3處于狀態(tài)“3”，其將較低操作頻帶調(diào)諧至所述范圍W2。這些狀態(tài)涉及其中設(shè)備處于自由空間或者不匹配較小的環(huán)境。根據(jù)所測量的電容，也可以為開關(guān)SW3選擇另一種狀態(tài)。例如，雖然使用GSM850，但是狀態(tài)“3”可能是最為有利的。 圖11示出了利用史密斯圖所示的對提供以根據(jù)本發(fā)明的裝置的天線進行匹配的示例。在該示例中，天線、匹配電路和頻率范圍與圖10的示例中相同。圖中的阻抗曲線則對應(yīng)于圖10中的反射系數(shù)曲線曲線BI示出了當(dāng)天線幾乎處于自由空間中時作為范圍W2 中頻率的函數(shù)的阻抗的波動，曲線B2示出了當(dāng)用戶手指在輻射器上的天線時阻抗的波動， 并且曲線B3示出了用戶手指仍然處于輻射器上相同位置并且開關(guān)以新的方式進行設(shè)置時的阻抗波動。傳輸路徑的額定阻抗是50 Ω。在曲線BI的情況下，整體阻抗在中間范圍與其非常接近，電抗部分很小。在該范圍的邊界處，阻抗是略顯電感的(inductive)。在曲線B2 的情況下，可以明顯看到不匹配，當(dāng)從該范圍的較低邊界向較高邊界移動時，阻抗大約從值 28Ω+]·33Ω向值65Ω+]·41Ω變化。阻抗于是明顯是電感的。在曲線Β3所示的匹配情況下，當(dāng)從該范圍的較低邊界向較高邊界移動時，阻抗大約從值43 Ω + jl7 Ω向值50 Ω -J26 Ω 變化，并且在中間范圍是純電阻的，大約60 Ω。也可以利用其效率來考慮天線的質(zhì)量。當(dāng)選擇GSM850系統(tǒng)的824 - 894 MHz的頻率范圍時，以上所提到天線的效率在自由空間中平均為-3. 7 dB。值O dB對應(yīng)于理想或無損的情形。在對應(yīng)于圖9中的曲線92的不匹配情形中，效率僅為平均-7. 2 dB。在對應(yīng)于圖9中的曲線93的匹配情形中，效率為平均-4. 7 dB，這意味著關(guān)于之前的情形有大約2. 5 dB的提高。當(dāng)選擇GSM900系統(tǒng)的880 - 960 MHz的頻率范圍時，相同天線的效率在自由空間中為平均-2. I dB。在對應(yīng)于圖10中的曲線A2的不匹配情形中，效率僅為平均-7. 4 dB。在對應(yīng)于圖10中的曲線A3的匹配情形中，效率為平均-5. I dB，這意味著關(guān)于之前的情形有大約2. 3 dB的提聞。如從圖4a的描述可以看出的，該示例中的天線還具有落入1.7 - 2.0 GHz范圍的較高操作頻帶。在已經(jīng)從其獲得以上所描述的結(jié)果的根據(jù)本發(fā)明的裝置的原型中，在較高操作頻帶中并不實施對天線阻抗的波動的補償。然而，通過在天線部分放置對應(yīng)于較高操作頻帶的另一個電容傳感器，利用與該天線的較低操作頻帶的不同頻率范圍中相同的原貝U，這自然是可能的。在那種情況下，匹配電路必須關(guān)于圖6的示例進行擴展。此外，在較高頻率，必須要更加注意開關(guān)組件的損耗。開關(guān)例如可以是PHEMT (贗高電子遷移率晶體管) 或MEMS (微電子機械系統(tǒng))的類型。圖12示出了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器的第三示例。如圖4a，天線的主元件 C41處于框架FRM的表面上，并且傳感器C70由第一 C71和第二 C72電極所構(gòu)成，所述電極是框架表面上的導(dǎo)線條。在這種情況下，這些電極位于不含(cleared from)主元件的福射導(dǎo)線的區(qū)域CLA中。這里，傳感器的位置相對接近于主元件C41的較長臂的外端。傳感器電極通過小型線圈耦合到控制單元。圖13示出了屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器的第四示例。如圖4a，天線的主元件 D41處于框架FRM的表面上。電容傳感器D70由第一電極D71和接地面GND處于第一電極的部分所構(gòu)成。該電極位于所述框架的表面上、沿主元件D41的較長臂、不含輻射導(dǎo)線的區(qū)域中。該傳感器通過具有接地導(dǎo)線的線路連接到電容單元并且通過小型線圈連接到耦合至第一電極的導(dǎo)線。以上已經(jīng)對根據(jù)本發(fā)明的用于對無線電設(shè)備的天線進行匹配的裝置和方法進行了描述。屬于所述裝置的匹配電路的電抗元件的實施方式可以有所變化。它們中的至少一部分也可以是電路板表面上的短平面(short planar)傳輸線路。該說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語“換向開關(guān)”也是其中電抗通過改變變?nèi)荻O管類型的電容元件的控制電壓而改變的結(jié)構(gòu)。傳感器關(guān)于輻射器的位置可以自然地有所變化。本發(fā)明并未對 適當(dāng)天線的結(jié)構(gòu)和類型進行限制。在獨立權(quán)利要求I和12所限定的范圍內(nèi)，本發(fā)明的構(gòu)思可以以不同方式得以應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于對無線電設(shè)備的天線進行匹配的裝置，該無線電設(shè)備包括屬于其發(fā)射器的功率放大器(PA)，屬于其接收器的低噪聲放大器(LNA)，以及從這些放大器到天線(340)的傳輸路徑，并且所述裝置包括n形可調(diào)節(jié)的電抗第一匹配電路(330 ；630)及其控制單元(350 ;750)，在第一匹配電路的縱向部分中為恒定電容或電感，并且每個橫向部分包括至少一個分支，所述至少一個分支具有可供選擇的電抗兀件和換向開關(guān)(SW1, SW2)以在傳輸路徑的單獨導(dǎo)線(SCR)和接地導(dǎo)線(GND)之間每次耦合一個電抗元件，該控制單元的輸入信號是指示當(dāng)前所使用的頻率范圍的頻帶信號(BND)，該控制單元從其輸出側(cè)連接到第一匹配電路中的每個開關(guān)以對所述開關(guān)進行設(shè)置，并且該控制單元包括用于以規(guī)律的間隔執(zhí)行天線匹配的調(diào)節(jié)過程的器件， 其特征在于它進一步包括 -天線的輻射主元件(441 ；541 ；C41 ；D41)的近場空間中的傳感器(370 ；470 ；570 ；C70 ;D70)，所述傳感器包括第一(471 ；541b ；C71 ;D71)和第二(472 ；541c ；C72 ;GND)電極以實現(xiàn)電容(CSE)； -電容單元(380)，所述電極與其輸入相連接，所述電容單元用于生成電容信號(CAP)，其電平與所述電容(CSE )成比例，和· -控制單元中的器件，用于在所述調(diào)節(jié)過程期間根據(jù)電容信號(CAP)和頻帶信號(BND)的值選擇所述第一匹配電路中的所述開關(guān)的狀態(tài)組合。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于傳感器的所述第一(471;C71)和第二(472 ；C72)電極是與天線的所述主元件(441 ;C41)相接近的不同導(dǎo)線。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于傳感器的所述第一(541b)和第二(541c)電極是彼此電隔離且與主元件的其余部分(541a)電隔離的所述主元件(541)的部分。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于傳感器(470)位于對應(yīng)于多頻帶天線的較低操作頻帶的主元件(441)的部分上。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于傳感器(C70)位于不含主元件(C41)的輻射導(dǎo)線的區(qū)域(CLA)中，該元件對應(yīng)于多頻帶天線的較低操作頻帶。
6.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于傳感器的所述第一電極(D71)位于不含主元件(D41)的輻射導(dǎo)線的區(qū)域中，并且所述第二電極是接地面(GND)在第一電極處的部分。
7.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于傳感器的每個電極和線路的導(dǎo)線之間存在線圈(LI ;L2)，其將傳感器連接到電容單元(380)，所述線圈的阻抗在射頻下非常高。
8.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于控制單元基于處理器，所述處理器包括具有存儲器(MEM)的中央處理單元(751)、輸入接口(752)和輸出接口(753)，在這種情況下，所述用于選擇第一匹配電路中的開關(guān)的狀態(tài)組合的器件包括存儲在所述存儲器中的程序(PRG)，該程序依據(jù)特定算法進行工作。
9.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于第一匹配電路(630)的每個橫向部分包括一個換向開關(guān)(SW1，SW2)，并且每個換向開關(guān)包括四個換向端子。
10.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于其進一步包括由所述控制單元(350)控制的第二匹配電路(360 ;660)，第二匹配電路連接在所述輻射主元件中的接地點(GP)和天線的接地面(GND)之間并且包括換向開關(guān)(SW3)和可供選擇的電抗元件。
11.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述換向開關(guān)通過PHEMT或MEMS技術(shù)實現(xiàn)。
12.一種用于對無線電設(shè)備的天線進行匹配的方法，該方法包括步驟 -讀取(804)指示無線電設(shè)備中當(dāng)前使用的頻率范圍的頻帶信號(BND)的值； -通過根據(jù)頻帶信號的值設(shè)置第一匹配電路中的換向開關(guān)來對無線電設(shè)備的天線端的傳輸路徑中的電抗n形電抗第一匹配電路進行調(diào)節(jié)以使得天線阻抗最優(yōu)化，和 -以規(guī)律的間隔重復(fù)天線阻抗的調(diào)節(jié)過程，其特征在于 -還讀取(804)電容信號(CAP)的電平，該電 平與位于天線的結(jié)構(gòu)中的傳感器的電容成比例； -除了頻帶信號的值之外，還根據(jù)電容信號的電平來選擇(805)第一匹配電路中的開關(guān)的狀態(tài)組合，和 -將第一匹配電路中的開關(guān)設(shè)置(806)為以上所選擇的狀態(tài)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于通過對其中已經(jīng)存儲了不同狀態(tài)組合的存儲器進行尋址，通過頻帶信號和電容信號的二進制值，以及通過讀取所尋址的狀態(tài)組合以便發(fā)送到匹配電路來選擇第一匹配電路中開關(guān)的狀態(tài)組合。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于還通過設(shè)置第二匹配電路中的換向開關(guān)而根據(jù)頻帶信號和電容信號的值來對連接在天線的主輻射元件和接地面之間的第二匹配電路進行調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種用于匹配無線電設(shè)備的天線(340)的裝置和方法。在天線結(jié)構(gòu)中設(shè)置電容傳感器(370)以用于檢測天線周圍的電氣變化。利用與傳感器電容(CSE)成比例的信號(CAP)對變化所導(dǎo)致的不匹配進行矯正。該電容以及當(dāng)前使用的頻率范圍是控制單元的輸入變量。利用π形電抗匹配電路(330)對天線阻抗進行調(diào)節(jié)，其組件值可以利用換向開關(guān)從相對寬的選項陣列中進行選擇，所述換向開關(guān)僅位于所述匹配電路的橫向分支中。控制單元(350)以規(guī)律的間隔執(zhí)行調(diào)節(jié)過程，其根據(jù)該過程的結(jié)果選擇匹配電路(330)的組件值的組合并且對所述開關(guān)進行設(shè)置。由于匹配的改善以及因為在發(fā)射器的傳輸路徑中不需要定向耦合器和串聯(lián)調(diào)節(jié)組件，所以發(fā)射器的平均效率變得更高。也可以在接收期間對天線匹配進行改進。調(diào)節(jié)過程中所使用的算法相對簡單且快速。
文檔編號H04B1/04GK102714346SQ201080048685
公開日2012年10月3日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者A.胡賈南, M.N.伊斯拉姆, M.索默薩洛, P.安納馬, P.拉馬錢德蘭, V.馬賈瓦, Z.米洛薩夫杰維克 申請人:脈沖芬蘭有限公司