具有基板的介電常數(shù)分散性補償?shù)纳漕l裝置和調(diào)整方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有基板的介電常數(shù)分散性補償?shù)纳漕l裝置和調(diào)整方法，其中公開了一種用于發(fā)射和/或接收射頻信號的裝置（30），包括以印刷技術在電介質(zhì)基板上實現(xiàn)的至少一個天線（31）和/或至少一個濾波器（32a，32b）。根據(jù)本發(fā)明，該設備配備有用于補償基板的介電常數(shù)分散性的部件。為此目的，該裝置包括：用于測量基板的電介質(zhì)介電常數(shù)的電路（10），能夠傳遞測量的介電常數(shù)值；以及調(diào)整裝置（20，36），能夠根據(jù)所測量的介電常數(shù)值調(diào)整天線的阻抗和/或濾波器的頻率響應。
【專利說明】具有基板的介電常數(shù)分散性補償?shù)纳漕l裝置和調(diào)整方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及在包括電介質(zhì)基板的電路板上實現(xiàn)的射頻裝置的領域。本發(fā)明更具體地涉及用于發(fā)送和/或接收射頻信號的裝置，該裝置包括以印刷電路技術在電介質(zhì)材料的基板上實現(xiàn)的至少一個天線和/或一個濾波器。
【背景技術】
[0002]為了獲得較高的集成水平，傳統(tǒng)上將射頻裝置實現(xiàn)在具有電介質(zhì)基板的一個或多個印刷電路板上。在這種裝置中，天線傳統(tǒng)上由放置在電介質(zhì)基板上合適的幾何形狀的導電材料層來實現(xiàn)。該導電層可以通過特定形狀的一個或多個輻射束(strand)，或通過被設置具有槽的導電板來形成。這些裝置傳統(tǒng)上還包括濾波器。這些濾波器可以完全或部分地用布置在電介質(zhì)基板上的導線(例如，微帶線)實現(xiàn)。
[0003]眾所周知，這些天線和/或濾波器的特性與基板的電介質(zhì)材料的電氣和機械屬性密切相關。同樣已知的是，在消費電子設備領域，通常用來制造基板的材料是作為低成本材料的FR4類型。這種材料的缺點是，它在電介質(zhì)介電常數(shù)值方面具有相對較高的分散性。該介電常數(shù)的變化范圍根據(jù)制造商的不同而或大或小。通常，材料越昂貴，介電常數(shù)的變化范圍越小。
[0004]介電常數(shù)的分散性可以影響射頻裝置的接收和/或發(fā)射信道的若干關鍵功能，尤其是使用該電介質(zhì)基板實現(xiàn)的天線和濾波器的特性。更具體地說，它在濾波器響應上產(chǎn)生頻率漂移，并導致天線的阻抗漂移，從而導致其性能的降低。
[0005]目前，印刷電路上射頻裝置的制造商有兩個選擇來避免這些漂移:
[0006]I)他們使用介電常數(shù)變化較小的電介質(zhì)基板，這會帶來制造這類裝置的額外成本；或
[0007]2)他們通過例如增加天線的帶寬來修改裝置的技術特征以考慮基板介電常數(shù)可能的變化，但是這會導致裝置性能的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出了另一種解決方案，使得能夠繼續(xù)使用低成本的電介質(zhì)材料，而不會導致射頻裝置的濾波器或天線性能的降低。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，提出為射頻裝置配備用于測量與電介質(zhì)基板的介電常數(shù)相關的值的電路，以及配備使得可以根據(jù)所測得的介電常數(shù)值來調(diào)整濾波器的頻率響應和天線的阻抗的電路。
[0010]為此目的，本發(fā)明涉及一種用于發(fā)射和/或接收射頻信號的裝置，其包括以印刷技術在電介質(zhì)基板上實現(xiàn)的至少一個天線和/或一個濾波器，其特征在于，它還包括用于測量與基板的電介質(zhì)介電常數(shù)相關的值并能夠傳遞測得的與介電常數(shù)相關的值的電路，以及能夠根據(jù)所測得的值調(diào)整天線的阻抗和/或所述濾波器的頻率響應的調(diào)整部件。
[0011]因此，根據(jù)本發(fā)明，通過考慮基板的介電常數(shù)的真實值來調(diào)整所述裝置的天線的阻抗和/或濾波器的頻率響應。從而避免與基板的介電常數(shù)的分散性相關的天線的失配和/或濾波器響應時的頻率漂移。
[0012]根據(jù)一個特定實施例，調(diào)整部件包括:
[0013]-調(diào)整控制電路，能夠接收所測量的介電常數(shù)值，并根據(jù)所測量的介電常數(shù)值傳遞至少一個數(shù)字控制信號；
[0014]-阻抗匹配，連接到所述天線的輸入/輸出端，并通過所述至少一個數(shù)字控制信號控制以修改天線的阻抗并將其恢復到預定值，和/或所述濾波器中的可變電容元件，通過所述至少一個數(shù)字控制信號控制以修改所述至少一個濾波器的頻率響應并將其恢復到預定值。
[0015]根據(jù)一個實施例中，阻抗匹配網(wǎng)絡包括通過所述至少一個數(shù)字控制信號進行數(shù)字控制的可調(diào)電容器。位于所述至少一個濾波器內(nèi)部的所述可變電容元件是變?nèi)荻O管。
[0016]根據(jù)一個特定實施例，測量與介電常數(shù)相關的值的電路包括:
[0017]-射頻信號發(fā)生器，可以通過控制信號進行數(shù)字控制，并能夠生成預定的頻帶內(nèi)不同頻率的多個射頻信號；
[0018]-諧振器，能夠接收由發(fā)生器生成的射頻信號，以及能夠針對這些不同頻率信號中的每一個傳遞輸出信號；
[0019]-功率測量電路，用于測量由所述諧振器傳遞的每一個輸出信號的信號功率；
[0020]-微控制器，用于根據(jù)功率測量電路測得的功率值確定諧振器的諧振頻率，以及用于生成控制射頻信號發(fā)生器的信號；以及
[0021]-處理器，用于從所述諧振頻率計算基板的相對介電常數(shù)。
[0022]根據(jù)一個特定的實施例，所述諧振器是環(huán)形諧振器。根據(jù)一個變型，諧振器是包括
長度大致等于+ 2g的直線(rectilinear)微帶線的諧振器，其中Xg是射頻信號的波長。
[0023]有利地，諧振器被設計為具有接近發(fā)射或接收的射頻信號的頻率的諧振頻率。
[0024]根據(jù)一個特定的實施例，其中該裝置包括工作在不同的工作頻率上的至少兩個發(fā)射和/或接收信道，并且每一個都包括以印刷技術在單個電介質(zhì)基板上實現(xiàn)的至少一個天線和/或至少一個濾波器，并且還包括測量與介電常數(shù)相關的值以測量所述電介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)的電路，測量電路的諧振器被設計為具有接近最高工作頻率的諧振頻率，其通常是對由基板的介電常數(shù)的分散性引起的漂移最敏感的頻率。
[0025]本發(fā)明的目的還在于一種用于調(diào)整如前面定義的裝置的天線的阻抗和/或濾波器的頻率響應的方法，該方法包括以下步驟:
[0026]-生成預定頻帶內(nèi)不同頻率的多個射頻信號；
[0027]-測量與基板的相對介電常數(shù)相關的值；以及
[0028]-根據(jù)所測量的介電常數(shù)值傳遞用于調(diào)整天線的阻抗和/或濾波器的頻率響應的控制信號。
[0029]有利地，該方法在所述裝置被首次接通時僅實施一次。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過附圖和以舉例說明的方式給出的說明，本領域的技術人員在閱讀下面的示例后還可以發(fā)現(xiàn)其他的優(yōu)點:
[0031]圖1是示出當基板的相對介電常數(shù)變化大約±10%時，實現(xiàn)在基板上的帶阻濾波器的頻率漂移的圖；
[0032]圖2是在基板上實現(xiàn)的用來測量基板的實際相對介電常數(shù)的環(huán)形諧振器的示意圖；
[0033]圖3是示出圖2的諧振器的頻率響應的圖；
[0034]圖4是測量與介電常數(shù)相關的值的電路，以及用以生成調(diào)整信號以便根據(jù)測得的值來調(diào)整射頻裝置的天線的阻抗和濾波器的頻率響應的調(diào)整控制電路的圖；
[0035]圖5是示出從圖2中的諧振器確定的基板的相對介電常數(shù)的變化作為其諧振頻率的函數(shù)的曲線；
[0036]圖6是被包括在測量與圖2的介電常數(shù)電路相關的值的過程中的功率測量電路的圖；
[0037]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的用于發(fā)射/接收射頻信號的第一裝置的示意圖；
[0038]圖8示出了圖7中裝置的匹配網(wǎng)絡的示意圖；
[0039]圖9示出了圖7中裝置的濾波器和匹配網(wǎng)絡的調(diào)整方法的步驟；以及
[0040]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的用于發(fā)射/接收射頻信號的第一裝置的示意圖。 【具體實施方式】
[0041]圖1示出了作為基板的相對介電常數(shù)ε r的函數(shù)的以電介質(zhì)基板上的微帶線實現(xiàn)的帶阻濾波器的頻率響應(參數(shù)S12)。該濾波器是為了除去5GHz-7GHz頻帶內(nèi)的頻率。示出了三個頻率響應曲線:
[0042]-第一曲線，使用具有相對介電常數(shù)L等于4.4的電介質(zhì)基板實現(xiàn)；
[0043]-第二曲線，使用具有相對介電常數(shù)L等于4.0的電介質(zhì)基板實現(xiàn)；以及
[0044]-第三曲線，具有相對介電常數(shù)等于4.8的電介質(zhì)基板實現(xiàn)。
[0045]此圖表明大約±10%的相對介電常數(shù)的分散性可以導致±200MHz的頻率漂移，這是許多領域中是不能接受的，特別是在發(fā)射和接收多媒體信號領域，如2.4和5GHz的W1-F1、DECT、3G、藍牙、ZigBee 或 GPS 信號。
[0046]頻率越高，基板的相對介電常數(shù)值ε r的分散性的影響對濾波器的響應的影響就越大，并且無論濾波器是何種類型(帶阻、帶通、低通、高通)都是如此。
[0047]基板的相對介電常數(shù)的分散性也同樣影響以印刷技術實現(xiàn)在電介質(zhì)基板上的天線的阻抗。
[0048]根據(jù)本發(fā)明，因此，提出根據(jù)電介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε r的有效值來調(diào)整被實現(xiàn)在電介質(zhì)基板上的射頻裝置的濾波器的頻率響應和/或天線的阻抗。
[0049]根據(jù)本發(fā)明，提出測量與基板的相對介電常數(shù)^相關的值，然后根據(jù)測得的值調(diào)整射頻裝置的濾波器的頻率響應和/或阻抗。
[0050]印刷電路板的電介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)L可以根據(jù)不同的已知技術來測量。其中之一在于在要測量其基板的介電常數(shù)的電路板上實現(xiàn)環(huán)形諧振器，例如使用微帶線，然后確定此環(huán)形諧振器的諧振頻率。這種諧振器在圖2中示意性地示出。
[0051]在采用微帶線的諧振電路的情形中，電磁波在由基板、微帶線和空氣形成的非均勻介質(zhì)中傳播。此非均勻介質(zhì)的電介質(zhì)介電常數(shù)，通常被稱為有效電介質(zhì)介電常數(shù)，由以下公式確定:
[0052]
【權利要求】
1.一種發(fā)射和/或接收射頻信號的裝置(30 ;300)，包括以印刷技術在電介質(zhì)基板上實現(xiàn)的至少一個天線(31 ;301,301’ )和/或至少一個濾波器(32a，32b ;302a，302b，302a’，302b，)， 其特征在于，它還包括:電路(10 ;100)，用于測量與基板的電介質(zhì)介電常數(shù)相關的值，并能夠傳遞測量的與介電常數(shù)相關的值；以及調(diào)整部件(20，36 ;200，306，306’)，能夠根據(jù)與介電常數(shù)相關的所述測量值來調(diào)整天線的阻抗和/或濾波器的頻率響應。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)整裝置包括: -調(diào)整控制電路(20 ;200)，能夠接收與介電常數(shù)相關的測量值，并根據(jù)所述測量值傳遞至少一個數(shù)字控制信號(Cl，C2, C3, Cl’，C2’，C3’)；以及 -阻抗匹配網(wǎng)絡(36 ;306，306’)，連接到所述天線的輸入端/輸出端并通過所述至少一個數(shù)字控制信號控制以修改天線的阻抗并將其恢復為預定值，和/或所述濾波器中的可變電容元件，其通過所述至少一個數(shù)字控制信號控制以修改所述至少一個濾波器的頻率響應并將其恢復到預定值。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(36;306，306’)包括通過所述至少一個數(shù)字控制信號進行數(shù)字控制的可調(diào)電容器。
4.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，位于所述至少一個濾波器的內(nèi)部的所述可變電容元件是變?nèi)荻O管。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特征在于，測量與介電常數(shù)相關的值的所述電路(10),包括: -射頻信號發(fā)生器(11)，通過·控制信號(cmd)進行數(shù)字控制，并能夠生成預定頻帶內(nèi)不同頻率的多個射頻信號； -諧振器(12)，能夠接收由發(fā)生器產(chǎn)生的射頻信號，并能夠針對這些不同頻率的信號中的每一個傳遞輸出信號； -功率測量電路(13)，用于測量由所述諧振器傳遞的每一個輸出信號的信號功率； -微控制器(14)，用于從功率測量電路測得的功率值來確定諧振器的諧振頻率，并用于生成控制射頻信號發(fā)生器的信號(cmd)，以及 -處理器(15)，用于從所述諧振頻率計算基板的相對介電常數(shù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述諧振器是環(huán)形諧振器。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述諧振器被設計為具有接近發(fā)射或接收的射頻信號的頻率的諧振頻率。
8.根據(jù)權利要求5至7中任何一項所述的裝置，包括工作在不同工作頻率下的至少兩個發(fā)射和/或接收信道，其中每一個信道都包括以印刷技術在單個電介質(zhì)基板上實現(xiàn)的至少一個天線(301，301’)和/或至少一個濾波器(302a，302b，302a’，302b’)，所述裝置還包括測量與介電常數(shù)相關的值的電路(100)，以測量所述電介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，其特征在于，測量與介電常數(shù)相關的值的電路(100)的諧振器被設計為具有接近最高工作頻率的諧振頻率。
9.一種用于調(diào)整如權利要求1至8中任何一項所述的裝置的天線的阻抗和/或濾波器的頻率響應的方法，其特征在于，它包括以下步驟: -生成(El)預定頻帶內(nèi)不同頻率的多個射頻信號；-測量(E2，E3)基板的相對介電常數(shù)值；以及-傳遞(E4)控制信號，以根據(jù)測量值調(diào)整天線的阻抗和/或濾波器的頻率響應。
10.根據(jù)權利要求9所述·的方法，其特征在于，在所述設備首次接通時僅實施一次。
【文檔編號】H04B1/40GK103856237SQ201310652069
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權日:2012年12月5日
【發(fā)明者】J-L.羅伯特, D.洛海因童, P.米納德 申請人:湯姆遜許可公司