CN101197580B - 一种阻抗匹配处理装置及阻抗匹配处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻抗匹配处理装置及阻抗匹配处理方法，其中该阻抗匹配处理装置，连接于功率放大器和输出装置之间，包括：阻抗匹配模块，包括3个变容二极管和至少一个固定电感的PI型电路；功率放大器参数检测模块，用于检测功率放大器的电流和功率；变容二极管偏置电压产生模块，用于根据检测到的功率放大器的电流、功率确定输入装置在输出方向的实际阻抗，并用于根据该实际阻抗和对应的最佳阻抗产生偏置电压，输出到对应变容二极管的阴极。本发明的装置和方法，可以实现全范围的阻抗匹配，同时具有实现简单、体积小、成本低的优点。

Description

一种阻抗匹配处理装置及阻抗匹配处理方法

技术领域

本发明涉及阻抗匹配技术，特别是一种阻抗匹配处理装置及其阻抗匹配处理方法。

背景技术

阻抗匹配是射频领域中非常常用的一种技术，如在设计无线通信器材的接收/发送电路时，必须设计相应的阻抗匹配电路，借助阻抗匹配电路的调整来实现功率放大器和天线电路的阻抗匹配。

WO2005104362-A1的日本专利申请公开了一种解决接收宽频带信号问题的阻抗匹配解决方案，其通过调整并联谐振电路中的变容二极管来实现，然而该方案存在着以下缺点：开环无反馈，无法自适应，同时谐振电路的频带不宽，调整范围不大。

JP11251928-A号日本专利公开了一种解决实时调整无线接收机输入匹配的问题的解决方案，其通过比较输入信号与参考信号的强弱来实时控制变容二极管来实现，然而该方案存在着以下缺点：

反馈网路采用模拟电路，由硬件来实现，不可调整，不灵活；

仅靠功率检测来调整匹配网络，没有考虑到功放的效率；

匹配网络是由两个电容和一个电感组成pi型网络，匹配范围小。

07-111470号日本专利公开了一种解决如何优化调整接收机输入阻抗的方案，其通过检测输入信号下变频后的强度来实时控制变容二极管而调整输入阻抗，然而该方案存在着以下缺点：

匹配网络是由三个电容组成T型网络，匹配范围小；

反馈量唯一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻抗匹配处理装置及阻抗匹配处理方法，实现自适应、全范围且可调整的阻抗匹配。

为了实现上述目的，本发明提供了一种阻抗匹配处理装置，连接于功率放大器和输出装置之间，包括：

阻抗匹配模块，包括3个变容二极管和至少一个固定电感的PI型电路；

功率放大器参数检测模块，用于检测功率放大器的电流和功率；

变容二极管偏置电压产生模块，用于根据检测到的功率放大器的电流、功率确定输入装置在输出方向的实际阻抗，并用于根据该实际阻抗和对应的最佳阻抗产生偏置电压，输出到对应变容二极管的阴极。

上述的阻抗匹配处理装置，其中，所述阻抗匹配模块具体包括：

依次串接于功率放大器和输出装置之间的第一隔直电容、第二隔直电容、第一变容二极管、第三隔直电容和第四隔直电容；

阳极接地，阴极连接于第一隔直电容和第二隔直电容之间的第二变容二极管；

阳极接地，阴极连接于第三隔直电容和第四隔直电容之间的第三变容二极管；

一端接地，另一端连接于第一变容二极管阳极的第二电感；

固定电感，连接第一变容二极管的阴极与第三隔直电容。

上述的阻抗匹配处理装置，其中，所述阻抗匹配模块具体包括：

依次串接于功率放大器和输出装置之间的第一隔直电容、第二隔直电容、第一变容二极管、第三隔直电容和第四隔直电容；

阳极接地，阴极连接于第一隔直电容和第二隔直电容之间的第二变容二极管；

阳极接地，阴极连接于第三隔直电容和第四隔直电容之间的第三变容二极管；

一端接地，另一端连接于第一变容二极管阳极的第二电感；

一第一固定电感，一端连接于第二变容二极管的阳极，一端接地；

一第二固定电感，一端连接于第三变容二极管的阳极，一端接地。

上述的阻抗匹配处理装置，其中，还包括：

微调处理模块，用于在检测到的功率放大器的电流和功率的误差在预定范围之内时，根据电流和功率的变化进行微调处理。

上述的阻抗匹配处理装置，其中，还包括：

用户提醒单元，用于在检测到的功率或者电流比正常环境大时通知用户，和/或用于提醒用户当前辐射功率。

为了更好的实现上述的目的，本发明还提供了一种阻抗匹配处理方法，包括：

步骤A，检测功率放大器的电流和功率；

步骤B，根据检测到的功率放大器的电流、功率确定输入装置在输出方向的实际阻抗，并用于根据该实际阻抗和对应的最佳阻抗确定并产生3个变容二极管的偏置电压；

步骤C，步骤B中产生的偏置电压控制由3个变容二极管和至少一个固定电感组成的PI型电路中的变容二极管的直流偏置，进行阻抗调整。

上述的阻抗匹配处理方法，其中，所述PI型电路具体包括：

依次串接于功率放大器和输出装置之间的第一隔直电容、第二隔直电容、第一变容二极管、第三隔直电容和第四隔直电容；

阳极接地，阴极连接于第一隔直电容和第二隔直电容之间的第二变容二极管；

阳极接地，阴极连接于第三隔直电容和第四隔直电容之间的第三变容二极管；

一端接地，另一端连接于第一变容二极管阳极的第二电感；

固定电感，连接第一变容二极管的阴极与第三隔直电容。

上述的阻抗匹配处理方法，其中，所述PI型电路具体包括：

依次串接于功率放大器和输出装置之间的第一隔直电容、第二隔直电容、第一变容二极管、第三隔直电容和第四隔直电容；

阳极接地，阴极连接于第一隔直电容和第二隔直电容之间的第二变容二极管；

阳极接地，阴极连接于第三隔直电容和第四隔直电容之间的第三变容二极管；

一端接地，另一端连接于第一变容二极管阳极的第二电感；

一第一固定电感，一端连接于第二变容二极管的阳极，一端接地；

一第二固定电感，一端连接于第三变容二极管的阳极，一端接地。

上述的阻抗匹配处理方法，其中，所述步骤B具体包括：

步骤B1，获取功率放大器的smith图数据；

步骤B2，根据检测的功率放大器的电流和功率值和功率放大器的smith图数据获取输出装置往输出方向的实际阻抗；

步骤B3，根据预定的需求功率和保存的功率放大器的smith图数据获取输出装置往输出方向的最优阻抗；

步骤B4，确定阻抗匹配模块中变容二极管及固定电感的参数值，所述参数用于调整输出装置往输出方向的实际阻抗，使之达到最优阻抗；

步骤B5，根据得到的变容二极管及固定电感的参数值结合变容二极管的电容-电压曲线获取变容二极管的偏置电压；

步骤B6，根据变容二极管的偏置电压和PWM方波的幅值确定占空比后，对应产生PWM方波，并进行低通、高频抑制处理。

本发明的阻抗匹配处理装置和阻抗匹配处理方法中，首先通过变容二极管和固定的电感结合，实现既可以是等效电容，又可以是等效电感的阻抗匹配电路，因此可以实现全范围的阻抗匹配；其次，本发明利用实时检测的功率放大器的电流和功率作为反馈参数，进而确定变容二极管的偏置电压，可以进行自适应调整；最后，相对于MEMS(微电子机械开关)类的阻抗匹配，本发明的装置和方法具有实现简单、体积小、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明的阻抗匹配处理装置的结构图；

图2为本发明的阻抗匹配模块的结构图；

图3为本发明的变容二极管偏置电压产生模块的结构图；

图4为本发明的功率放大器电流检测子模块的结构图；

图5为本发明的功率放大器功率检测子模块的结构图；

图6为本发明的阻抗匹配处理方法的流程图。

具体实施方式

本发明基于以下的核心思想来实现阻抗匹配处理装置及其阻抗匹配处理方法：

1、采用变容二极管和固定的电感结合，实现既可以是等效电容，又可以是等效电感的全范围阻抗匹配电路；

2、实时检测功率放大器的电流和功率，并利用检测到的功率放大器的电流和功率来产生对应的变容二极管的偏置电压，实现自适应阻抗匹配。

下面结合附图对本发明进行进一步详细的说明。

图1为本发明的阻抗匹配处理装置的结构图，如图1所示，该阻抗匹配处理装置连接于功率放大器和输出装置(如天线开关)之间，包括：

功率放大器参数检测模块，用于检测功率放大器的电流和功率；

变容二极管偏置电压产生模块，用于根据检测到的功率放大器的电流、功率确定输入装置在输出方向的实际阻抗，并用于根据该实际阻抗和对应的最佳阻抗确定并产生变容二极管的偏置电压；

阻抗匹配模块，为3个变容二极管和至少一个固定电感组成的PI型匹配电路，变容二极管根据变容二极管偏置电压产生模块发送的偏置电压进行阻抗调整。

本发明的阻抗匹配处理装置中的阻抗匹配模块如图2所示，包括：

依次串接于功率放大器和输出装置之间的第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第一变容二极管D2、第三隔直电容C3和第四隔直电容C4；

阳极接地，阴极连接于第一隔直电容C1和第二隔直电容C2之间的第二变容二极管D1；

阳极接地，阴极连接于第三隔直电容C3和第四隔直电容C4之间的第三变容二极管D3；

一端接地，另一端连接于第一变容二极管D2阳极的第二电感L2，其为第一变容二极管D2提供直流回路。

在前面提到过，本发明利用变容二极管和固定的电感结合，实现既可以是等效电容，又可以是等效电感的全范围阻抗匹配电路，因此，阻抗匹配模块必然还至少包括一固定电感，与变容二极管串接。

在此，为实现低通阻抗匹配(如用于手机，抑制GSM、DCS的二次谐波)，则该固定电感L1连接于第一变容二极管D2的阴极与第三隔直电容C3之间，如图2所示。

在此，为实现高通阻抗匹配，则一个固定电感连接于第二变容二极管D1的阳极和接地端之间，另一个固定电感连接于第三变容二极管D3的阳极和接地端之间。

当然，也可以3个变容二极管都串接一个固定电感。

上述3个变容二极管的阴极与变容二极管偏置电压产生模块连接，其直流偏置被变容二极管偏置电压产生模块控制。

下面对本发明的阻抗匹配处理装置中的变容二极管偏置电压产生模块进行详细描述。

如图3所示，变容二极管偏置电压产生模块具体包括：

功率放大器smith图数据存储模块，用于存储功率放大器不同频率的阻抗、功率、效率的smith图的数据，该数据可以以数组方式保存；

实际阻抗确定模块，用于根据检测到的功率放大器的电流和功率查找功率放大器的smith图数据，确定输入装置在输出方向的实际阻抗；

最优阻抗确定模块，用于根据预定的需求功率和smith图数据确定最优阻抗；

电容及电感参数计算模块，根据功率放大器的smith阻抗图的数据获取实际阻抗和最优阻抗之间的最优路径，并计算该最优路径的电容和电感值；

PWM波产生模块，根据电容、电感值的计算结果确定变容二极管的偏置电压，并产生对应的PWM方波，滤波成直流后输出到对应变容二极管的阴极。

其中：

确定电容和电感值后，即可根据变容管的电容-电压曲线计算出相应的偏置电压；

该PWM方波为脉冲宽度可调的方波，利用由电阻和电容组成的低通网络的处理后，只需要普通的IO口就可以产生连续可调的直流电压，可调的分辨率不象DAC受位数影响。比如方波峰值为1.8V，为了达到0.7V的变容二极管的偏置电压，方波的占空比约60％；

同时，PWM方波由DBB内部定时器产生中断，频率可以如40KHz，在每次中断时隙内，计数器与溢出寄存器相比较，如果大于等于该值，则输出翻转一次，该寄存器的值反映了脉冲的宽度。

其中，该PWM波产生模块中对应于每一个产生的PWM方波在经过由电阻和电容组成的低通网络的处理后，再由电感进行高频抑制处理，最后输出到变容二极管的阴极。

本发明的阻抗匹配处理装置中的功率放大器参数检测模块包括功率放大器电流检测子模块和功率放大器功率检测子模块，其中：

功率放大器电流检测子模块如图4所示，包括：

采样电阻，与功率放大器串联；

差分放大器，用于对采样电阻进行电压采样后，将采样电压放大输出；

电流映射计算器，用于根据差分放大器输出的放大后的电压与采样电阻的电阻值计算功率放大器电流。

例如，假设采样电阻为0.01欧姆，而差分放大器检测到的电压为0.01伏特，则可以确定功率放大器的电流为1安培。

其中，图2描述的仅仅是一种功率放大器电流的检测方式，还可以采用非接触式电流检测，如采用霍尔器件也可以得出相应的电流大小。当然，还有一些现有的技术也可以实现电流的检测，由于为本领域普通技术人员所熟悉，在此不再赘述。

功率放大器功率检测子模块如图5所示，包括：

微带耦合器，与天线耦合；

二极管检波器，用于获取微带耦合器的功率值的采样样本，并建立耦合功率和实际功率的对应关系；

功率计算模块，用于根据耦合功率与实际功率的对应关系以及检测到的偶合功率获取功率放大器的输出功率。

在此，为了使得主通道的射频信号不受影响，耦合器的耦合系数越小越好，但是，如过耦合系数太小，会影响功率检测的精度，综合两者因素的考虑，本发明采用的耦合系数在0.001到0.005间。

同时，考虑到采样的精度，为获取比较精确的实际输出功率，采样多次采样取平均值。

同时，本发明的阻抗匹配处理装置还可包括：

一微调处理模块，用于在检测到的功率放大器的电流和功率的误差在预定范围之内时(如平均电流误差在10％以内、功率误差在1dB以内)，根据电流和功率的变化进行微调处理，其具体处理如下所述：

功率变小，按反方向调整PWM方波的占空比；

电流变大，功率变大，则调整PWM方波的占空比，使功率满足要求；

电流变小，功率变大，保持该方向继续调整PWM方波的占空比。

同时，本发明的阻抗匹配处理装置还可包括：

用户提醒单元，用于在检测到的功率或者电流比正常环境大时通知用户，同时由于本发明采用功率耦合器实时检测辐射功率，所以还可用于提醒用户当前辐射的功率，提醒用户保护自己，不宜在信号弱(此时发射功率大)的时候长时间通话聊天。

该提醒方式包括但不限于声音、光线、画面等形式。

本发明的阻抗匹配处理方法如图6所示，包括：

步骤A，检测功率放大器的电流和功率；

步骤B，根据检测到的功率放大器的电流、功率确定输入装置在输出方向的实际阻抗，并用于根据该实际阻抗和对应的最佳阻抗确定并产生变容二极管的偏置电压；

步骤C，步骤B中产生的偏置电压控制由3个变容二极管和至少一个固定电感组成的PI型匹配电路中的变容二极管进行阻抗调整。

下面结合附图对步骤B进行进一步详细的描述。

在此，本实施例仅以本发明用于低通匹配的情况为例进行说明，即以结构为图2所示的阻抗匹配模块的情况为例进行说明。

本发明的阻抗匹配处理方法的步骤B具体包括：

步骤B1，获取并保存功率放大器的对应于不同频率的阻抗-功率-效率的smith图数据，该数据可以利用数组方式保存；

步骤B2，获取检测到的功率放大器的电流和功率值，根据保存的功率放大器的smith图数据获取输出装置往输出方向的实际阻抗；在此假设为Ra+j*Rb；

步骤B3，根据预定的需求功率和保存的功率放大器的smith图数据获取输出装置往输出方向的最优阻抗；在功率放大器的smith图中，不同功率等级对应不同电流，假设要输出32.5dBm的功率，那么所对应的效率曲线中，越靠近圆心，其效率越高(该效率曲线为一组大致的同心圆)，因此最佳阻抗就是功率曲线与蓝色圆心距离最短的点，在此假设为Ro+j*Rp；

步骤B4，确定阻抗匹配模块中变容二极管及固定电感的参数值，这些参数用于调整输出装置往输出方向的实际阻抗，使之达到最优阻抗；

结合图2所示的情况，由于串联部分是变容二极管D2和固定电感L1共同组成，因此不同值的变容管组成匹配电路有两种情况C，L，C或者C，C，C。

在此设定两种运算x//y＝x·y/(x+y)，x～y＝x+y，则步骤B4实际是求解下述方程中的cx、cy和1x：

$\left\{\begin{array}{c}((\mathrm{Ra}+\mathrm{jRb})//\mathrm{Cx}~\mathrm{Lx})//\mathrm{Cy}=\mathrm{Ro}+j*\mathrm{Rp}\\ \mathrm{Cx}=-j/\left(\mathrm{wcx}\right)\\ \mathrm{Cy}=-j/\mathrm{wcy}\\ \mathrm{Lx}=\mathrm{jwlx}\end{array}\right.$

结合图2所示，其中，cx、cy、1x分别为变容二极管D1的电容值、变容二极管D3的电容值、变容二极管D2和固定电感L1作为一个整体来看的电感值，w为频率。

由于该方程有三个未知数，所以方程有多个解，在无穷个解中，根据以下两个条件确定唯一的解：

实际变容二极管的电容可变范围；和

匹配电路的Q值，要求Q值越低越好，具体表现为所求解在SMITH图上与纯电阻轴(虚部为0)的距离最近。

根据上述计算过程，如果计算得出的Lx的虚部小于0，说明采用的网络为C，C，C，如果Lx的虚部大于0，说明采用的网络为C、L、C。

步骤B5，根据得到的变容二极管及固定电感的参数值，结合变容二极管的电容-电压曲线获取变容二极管的偏置电压；

步骤B6，根据变容二极管的偏置电压和PWM方波的幅值确定占空比后，对应产生PWM方波，经过低通、高频抑制处理后对应输出到变容二极管的阴极。

本发明在上述步骤A～C的基础上，还可包括：

步骤D，在检测到的功率放大器的电流和功率在预定范围之内时(如平均电流误差在10％以内、功率误差在1dB以内)，根据电流和功率的变化进行微调处理，其具体处理如下所述：

功率变小，按反方向调整PWM方波的占空比；

电流变大，功率变大，则调整PWM方波的占空比，使功率满足要求；

电流变小，功率变大，保持该方向继续调整PWM方波的占空比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种阻抗匹配处理装置，连接于功率放大器和输出装置之间，其特征在于，包括：

阻抗匹配模块，为3个变容二极管和至少一个固定电感组成的PI型电路；

功率放大器参数检测模块，用于检测功率放大器的电流和功率；

变容二极管偏置电压产生模块，用于根据检测到的功率放大器的电流、功率确定输入装置在输出方向的实际阻抗，并用于根据该实际阻抗和对应的最佳阻抗产生偏置电压，输出到对应变容二极管的阴极；

所述阻抗匹配模块具体包括：

依次串接于功率放大器和输出装置之间的第一隔直电容、第二隔直电容、第一变容二极管、第三隔直电容和第四隔直电容；

阳极接地，阴极连接于第一隔直电容和第二隔直电容之间的第二变容二极管；

阳极接地，阴极连接于第三隔直电容和第四隔直电容之间的第三变容二极管；

一端接地，另一端连接于第一变容二极管阳极的第二电感；

所述变容二极管偏置电压产生模块具体包括：

功率放大器smith图数据存储模块，用于存储功率放大器不同频率的阻抗、功率、效率的smith图的数据；

实际阻抗确定模块，用于根据检测到的功率放大器的电流和功率查找功率放大器的smith图数据，确定输入装置在输出方向的实际阻抗；

最优阻抗确定模块，用于根据预定需求功率和smith图数据确定最优阻抗；

电容及电感参数计算模块，根据功率放大器的smith阻抗图的数据获取实际阻抗和最优阻抗之间的最优路径，并计算该最优路径的电容和电感值；

PWM波产生模块，根据计算的电容、电感值确定变容二极管的偏置电压，并产生对应的PWM方波，滤波成直流，并进行高频抑制处理后输出到对应变容二极管的阴极。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配处理装置，其特征在于，所述阻抗匹配模块还包括：

固定电感，连接第一变容二极管的阴极与第三隔直电容。

3.根据权利要求1所述的阻抗匹配处理装置，其特征在于，所述阻抗匹配模块还包括：

一第一固定电感，一端连接于第二变容二极管的阳极，一端接地；

一第二固定电感，一端连接于第三变容二极管的阳极，一端接地。

4.根据权利要求1所述的阻抗匹配处理装置，其特征在于，所述PWM方波脉冲调制宽度可调。

5.根据权利要求2或3所述的阻抗匹配处理装置，其特征在于，所述功率放大器参数检测模块具体包括：

采样电阻，与功率放大器串联；

差分放大器，用于对采样电阻进行电压采样后，将采样电压放大输出；

电流映射计算器，用于根据差分放大器输出的电压与采样电阻的电阻值计算功率放大器电流；

微带耦合器，与输出装置耦合；

二极管检波器，用于获取微带耦合器的功率值的采样样本，并建立耦合功率和实际功率的对应关系；

功率计算模块，用于根据耦合功率与实际功率的对应关系以及检测到的偶合功率获取功率放大器的输出功率。

6.根据权利要求5所述的阻抗匹配处理装置，其特征在于，微带耦合器的耦合系数在0.001到0.005之间。

7.根据权利要求2或3所述的阻抗匹配处理装置，其特征在于，还包括：

微调处理模块，用于在检测到的功率放大器的电流和功率的误差在预定范围之内时，根据电流和功率的变化进行微调处理。

8.根据权利要求2或3所述的阻抗匹配处理装置，其特征在于，还包括：

用户提醒单元，用于在检测到的功率或者电流比正常环境大时通知用户，和/或用于提醒用户当前辐射功率。

9.一种阻抗匹配处理方法，其特征在于，包括：

步骤A，检测功率放大器的电流和功率；

步骤B，根据检测到的功率放大器的电流、功率确定输入装置在输出方向的实际阻抗，并用于根据该实际阻抗和对应的最佳阻抗确定并产生3个变容二极管的偏置电压；

步骤C，步骤B中产生的偏置电压控制由3个变容二极管和至少一个固定电感组成的PI型电路中的变容二极管的直流偏置，进行阻抗调整；

所述PI型电路具体包括：

依次串接于功率放大器和输出装置之间的第一隔直电容、第二隔直电容、第一变容二极管、第三隔直电容和第四隔直电容；

阳极接地，阴极连接于第一隔直电容和第二隔直电容之间的第二变容二极管；

阳极接地，阴极连接于第三隔直电容和第四隔直电容之间的第三变容二极管；

一端接地，另一端连接于第一变容二极管阳极的第二电感；

所述步骤B具体包括：

步骤B1，获取功率放大器的smith图数据；

步骤B2，根据检测的功率放大器的电流和功率值和功率放大器的smith图数据获取输出装置往输出方向的实际阻抗；

步骤B3，根据预定的需求功率和保存的功率放大器的smith图数据获取输出装置往输出方向的最优阻抗；

步骤B4，确定阻抗匹配模块中变容二极管及固定电感的参数值，所述参数用于调整输出装置往输出方向的实际阻抗，使之达到最优阻抗；

步骤B5，根据得到的变容二极管及固定电感的参数值结合变容二极管的电容-电压曲线获取变容二极管的偏置电压；

步骤B6，根据变容二极管的偏置电压和PWM方波的幅值确定占空比后，对应产生PWM方波，并进行低通滤波、高频抑制处理。

10.根据权利要求9所述的阻抗匹配处理方法，其特征在于，所述PI型电路还包括：

固定电感，连接第一变容二极管的阴极与第三隔直电容。

11.根据权利要求9所述的阻抗匹配处理方法，其特征在于，所述PI型电路还包括：

一第一固定电感，一端连接于第二变容二极管的阳极，一端接地；

一第二固定电感，一端连接于第三变容二极管的阳极，一端接地。

12.根据权利要求10或11所述的阻抗匹配处理方法，其特征在于，所述步骤A中利用采样与功率放大器串联的电阻的电压后获取功率放大器的电流。

13.根据权利要求10或11所述的阻抗匹配处理方法，其特征在于，所述步骤A中利用采样与输出装置耦合的微带耦合器的功率值，并根据耦合功率与实际功率的对应关系获取功率放大器的输出功率。

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