CN101800561B - 一种阻抗匹配装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻抗匹配装置及方法，根据反射信号强度S_N及射频功率放大器的功率P_n，通过相应的判决条件调节等效阻抗的控制电压，以实现射频功率放大器与匹配目标的自适应匹配。采用本发明的装置及方法，简化了自适应匹配电路的设计，缩短了手机设计和调试的周期，增强了自适应匹配电路的实用性，并且提高了手机通话的质量，从根本上改善了射频功率放大器的稳定性、线性度和整机的射频性能指标。

Description

一种阻抗匹配装置及方法

技术领域

本发明涉及阻抗匹配技术，特别是一种自适应的阻抗匹配装置及方法。

背景技术

在移动终端如手机的研发过程中，通常一个机型对应于一款天线，这就使得天线设计工作量加大，移动终端的研发周期加长，浪费人力成本和大量实验资源。

在日常使用手机的过程中，经常会碰到各种通信故障，比如：在使用手机通话时，通话场地的变化、手握手机的位置和姿势的变化等等，都会导致通话质量变差。这是因为，实际使用的天线输入阻抗不是一个固定值，在相当程度上依赖于其周围的环境，所以当手机所处环境发生变化时，就会导致其阻抗发生变化，使手机与天线不再完全匹配。

在现有设备中，通常使用静态阻抗匹配的情况下，在实际环境中就会造成手机主板上的射频功率放大器输出和天线之间的匹配网络失配，部分功率会从天线输入反射回到功率放大器的输出，反射回来的一些功率就不可再用作发射机功率，这样就导致电源的效率下降，并且，也可能导致射频指标的恶化；更严重的是，如果反向散射功率的比例太大，就会由于反射而引起振荡，使得无线电连接最终中断。

要解决以上问题，需要设计出一种自适应阻抗匹配电路，使得手机主板能自适应于同频带内的任何一款手机天线，从而提高天线的效率，并缩短手机研发周期。对于自适应阻抗匹配课题，国内外有很多专家做过相关的研究工作，但目前都还没有广泛使用在手机电路内，只有一些简单的自适应阻抗匹配的控制电路。下面列举目前国内外研究的几个典型专利：

专利号为CN03817073.6的中国专利，是一种用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的设备，具有一个循环器和一个可控匹配网络，该循环器将在第一端口从功率放大器接收到的信号经第二端口发送到天线，并使在天线反射且在第二端口接收到的信号通过第三端口转向；关键在于：一个方向性耦合器将从功率放大器行进到天线的信号的一部分转向到信号检测器，由该部分信号可以得出信号的幅度和相位；循环器将在天线反射的整个信号路由到信号检测器，其中信号检测器将行进到天线的部件的可控匹配网络；这种动态阻抗匹配设备的缺点是动态匹配时间比较长，结构相对比较复杂。

日本专利为特开平8-97733号中，公开了一种能够在天线周围的环境突变的情况下，自动匹配天线与发送部分之间的阻抗的阻抗匹配装置。该专利中所公开的常规阻抗匹配装置设有：驻波比检测部分，用于测量从发送部分到天线的传输路径上的相应各点处的多个电压以检测驻波比；阻抗计算部分，用于根据上述传输路径上的上述驻波来计算从传输路径一侧看到的天线一侧的现时阻抗；设定匹配表，用于以列表形式存储为匹配以消除发送部分一侧的阻抗与如上计算得到的现时阻抗之差的预定元件的设定值；可变匹配部分，用于从上述传输路径接收发送功率的天线的输入端中的阻抗调节；运算控制部分，用于根据现时阻抗和上述设定匹配表来控制上述可变匹配部分的匹配元件为预定值。如上所述，该专利中所公开的常规阻抗匹配装置在存储为匹配以消除发送部分一侧的阻抗与天线一侧的现时阻抗之差的预定元件的设定值的同时，调节可变匹配电路以提供此设定值，并匹配发送部分与天线之间的阻抗；但该阻抗匹配装置缺点是链路复杂、成本太高，在手机中使用不大可行。

专利号为CN1957538A的中国专利，公开了一种能够进行自适应阻抗匹配的移动无线装置，其匹配检测部分包含检测天线与所述信号处理部分之间的阻抗匹配率、信号强度检测以及反射电压检测部分，再通过使用最速下降法算法调整匹配负载值。该方案需要通过大量试验得出手机不同工作状态的匹配负载的初始值，在专利中作为经验使用初始染色体来存储，其中最大的突破就是采用染色体方案来解决匹配调整时间过长的问题，从而使得自适应阻抗匹配电路更实用。但该移动无线装置的电路设计复杂，不易实现。

现有技术中，由于上述电路需要手动或者机械调节，匹配时间过长，因此会导致其还没有匹配完成，就进入到另一电磁环境中；另外，上述方案还分别存在匹配电路复杂，实现难度比较大，成本昂贵，可行性较差等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种阻抗匹配装置及方法，能以较为简单的电路形式，提高移动终端与匹配目标之间的自适应匹配程度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种阻抗匹配装置，该装置包括：检测电路、判决电路及匹配控制电路；其中，

检测电路，用于处理从匹配目标反射回来的反射信号强度S_N；其中，N为采样次数；

判决电路，用于根据判决条件判断匹配控制电路中匹配网络的匹配状态；

匹配控制电路，用于根据判决电路的判断结果，调节匹配控制电路中匹配网络的等效阻抗的控制电压。

上述技术方案中，所述检测电路的处理是指采样并检测，其包括：循环器、检波器、命令读取器及寄存器；其中，

循环器，用于对射频功率放大器的功率信号P_n或匹配目标的反射信号强度S_N进行隔离；

检波器，用于采样并检测经过循环器的反射信号强度S_N，并将S_N保存在寄存器中，其中，N为采样次数；

命令读取器，用于从移动终端芯片读取功率控制命令，并将该功率控制命令对应的功率信号P_n保存在寄存器中；

寄存器，用于存储反射信号强度S_N，以及功率等级n对应的功率信号P_n。

上述技术方案中，所述循环器对功率信号或反射信号进行隔离，具体为：射频功率放大器的功率信号P_n，经过循环器、匹配网络发送至匹配目标；或者，匹配目标的反射信号强度S_N，经匹配网络、循环器发送至检波器。

上述技术方案中，所述判决电路包括：信号处理器；其中，

信号处理器，用于从所述寄存器中读取反射信号强度S_N、S_N-1、S_N+1以及功率信号P_n，并根据所设置的判决条件，调节匹配控制电路的等效阻抗的控制电压。

上述技术方案中，所述信号处理器根据判决条件调节匹配控制电路的等效阻抗的控制电压，具体为：

信号处理器从寄存器中读取S_N、S_N-1、S_N+1以及P_n，并根据最速下降算法，判断S_N是否满足判决条件一：(S_N)²/P_n＜0.001，满足判决条件一时，保持N采样时刻的等效阻抗的控制电压V_N不变，并将此时的S_N存储在寄存器中；不满足判决条件一时，根据判决条件二：N＜5000、S_N+1＞S_N且S_N＜S_N-1，从寄存器中读取满足判决条件二的S_N所对应的等效阻抗的电压V_N，将N+1采样时刻的等效阻抗的电压调节为N采样时刻的电压V_N，并将S_N存储在寄存器中。

上述技术方案中，所述匹配控制电路包括：调节电路、控制电压PWM产生模块及匹配网络；其中，

调节电路，用于从匹配网络的三个等效阻抗中，选择任意一个等效阻抗对其控制电压进行调整；

控制电压PWM产生模块，用于根据信号处理器及调节电路的命令，调节所需调整的等效阻抗的控制电压；

匹配网络，用于实现射频功率放大器与匹配目标之间的阻抗匹配。

上述技术方案中，所述匹配控制电路中的等效阻抗使用变容二极管。

本发明还提供了一种阻抗匹配方法，该方法包括：

根据反射信号强度S_N及射频功率放大器的功率P_n，通过相应的判决条件调节等效阻抗的控制电压，实现射频功率放大器与匹配目标的自适应匹配。

上述技术方案中，所述根据S_N及P_n通过判决条件调节等效阻抗的控制电压，具体为：

根据S_N、S_N-1、S_N+1以及P_n，并根据最速下降算法，计算S_N是否满足判决条件一：(S_N)²/P_n＜0.001，若满足判决条件一，则保持N采样时刻等效阻抗的控制电压V_N不变，并保存此时的S_N；若不满足判决条件一，则根据判决条件二：N＜5000、S_N+1＞S_N且S_N＜S_N-1，将N+1采样时刻的等效阻抗的控制电压调节为N采样时刻的电压V_N，并保存S_N；其中，N为采样次数。

上述技术方案中，该方法还包括：射频功率放大器与匹配目标实现自适应匹配后，若S_N+1＞1.25*S_N，则需将N从零开始重新采样反射信号强度S_N，并跳出当前的匹配状态，通过判决条件一或判决条件二，重新调节等效阻抗的控制电压，使射频功率放大器与匹配目标重新匹配；若不满足S_N+1＞1.25*S_N，则保持原匹配状态不变。

本发明所提供的阻抗匹配装置和方法，根据反射信号强度S_N及射频功率放大器的功率P_n，通过相应的判决条件调节等效阻抗的控制电压，以实现射频功率放大器与匹配目标的自适应匹配。

采用本发明所述的装置及方法，与现有技术相比，突破了自适应匹配电路依靠阻抗计算来实现电路匹配，简化了以往自适应匹配电路的设计，节省了自适应匹配电路的时间，缩短了移动终端设计和调试的周期，增强了自适应匹配电路的实用性。

另外，本发明通过判决条件一或判决条件二的判断，确定匹配网络是否处于匹配状态或使匹配网络进入匹配状态，如此，可以使反射信号强度减小，保护射频功率放大器以免受到反射信号的影响，降低了反射信号对外界和移动终端主板的干扰，从根本上改善了射频功率放大器的稳定性、线性度和整机的射频性能指标，进而改善了通信链路的通话质量。并且，本发明在同等的基站功率要求下，还可以减小射频功率放大器的发射功率，从而增加移动终端的通话时间，降低移动终端芯片的发射功率。

附图说明

图1为本发明实施例中阻抗匹配装置的组成结构图；

图2为现有技术匹配网络的结构示意图；

图3为本发明实施例中匹配网络中等效阻抗结构框图；

图4为本发明实施例中阻抗匹配方法的流程图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：根据反射信号强度S_N及射频功率放大器的功率P_n，通过相应的判决条件调节等效阻抗的控制电压，以实现射频功率放大器与匹配目标的自适应匹配。

本发明提供的阻抗匹配装置，位于移动终端的射频功率放大器、芯片与匹配目标之间，如图1所示，包括：检测电路、判决电路及匹配控制电路；其中，

检测电路，用于采样并检测从匹配目标反射出来的反射信号强度S_N；其中，N为采样次数；

判决电路，用于根据判决条件判断匹配控制电路中匹配网络的匹配状态；

匹配控制电路，用于根据判决电路的判断结果，调节匹配控制电路中匹配网络的等效阻抗的控制电压。

图1中，检测电路包括：循环器、检波器、命令读取器及寄存器；其中，

循环器，用于对射频功率放大器的功率信号P_n或匹配目标的反射信号强度S_N进行隔离；其中，P_n为功率等级n所对应的功率信号；当移动终端处于不同状态时，其对应的功率等级n不同。

具体为：射频功率放大器的功率信号P_n，经过循环器、匹配网络发送至匹配目标，此时循环器的导通方向为射频功率放大器至匹配网络方向，也就是说，功率信号不会通过循环器发送至检波器；匹配目标的反射信号S_N，经匹配网络、循环器发送至检波器，此时循环器的导通方向为匹配网络至检波器方向，也就是说，反射信号不会通过循环器发送回功率放大器。

检波器，用于采样并检测经过循环器的反射信号强度S_N，并将反射信号强度S_N保存在寄存器中，其中，N为采样次数；

命令读取器，用于从移动终端芯片读取功率控制命令，并将该功率控制命令对应的功率信号P_n保存在寄存器中；

寄存器，用于存储反射信号强度S_N，以及功率等级n对应的功率信号P_n；

所述判决电路包括：信号处理器；其中，

信号处理器，用于从寄存器中读取S_N、S_N-1、S_N+1以及P_n，并根据所设置的判决条件，调节匹配控制电路的等效阻抗的控制电压，使匹配网络进入匹配状态；

具体为：信号处理器从寄存器中读取S_N、S_N-1、S_N+1以及P_n，并根据最速下降算法，判断S_N是否满足判决条件一：(S_N)²/P_n＜0.001，若满足判决条件一，说明匹配网络处于匹配状态，则立即保持第N次采样时刻的等效阻抗的控制电压V_N不变，并将此时的反射信号强度S_N存储在寄存器中；若不满足此判决条件一，则根据判决条件二：N＜5000、S_N+1＞S_N且S_N＜S_N-1，从寄存器中读取满足判决条件二的反射信号强度S_N所对应的等效阻抗的电压V_N，并将第N+1次采样时刻的等效阻抗电压调节为N采样时刻的电压V_N，使匹配网络进入匹配状态，并将S_N存储在寄存器中；其中，所述判决条件一和判决条件二是预先设置于信号处理器中的；

所述匹配控制电路，包括：控制电压PWM产生模块、调节电路及匹配网络；其中，

匹配网络，用于实现射频功率放大器与匹配目标之间的阻抗匹配，以减小反射信号强度。匹配网络由一个T网络或者∏网络来实现，如图2所示，Z1、Z2、Z3为匹配网络中的三个等效阻抗，可采用等效电容或等效电感实现；其中，等效电容或等效电感可使用变容二极管来替代；

控制电压PWM产生模块，用于根据信号处理器及调节电路的命令，调节所需调整的等效阻抗的控制电压；

调节电路，用于从匹配网络的三个等效阻抗中选择任意一个等效阻抗对其控制电压进行调整。

在本发明的匹配网络中，还可以采用变容二极管与电容的串联或并联形式，来扩展等效电容的动态调节范围，以同样的方式可扩展等效电感的动态调节范围。这里，以等效电容为例，结合图3(a)所示，通过闭合图3(a)中的开关1和开关2，可以实现变容二极管与电容1的并联连接方式，此时可以使等效电容扩展到最大值，如图3(b)所示；通过断开图3(a)中的开关1和开关2，可以实现变容二极管与电容2的串联连接方式，此时可以使等效电容扩展到最小值，如图3(c)所示。

其中，并联电容1的大小决定其等效电容最小值的大小；串联电容2的大小决定其等效电容最大值的大小。

假设变容二极管的可调范围为[A，B]，图3中串联电容2的值为C，并联电容1的值为D，为保证电容在最大动态范围内的连续可调节性，需满足：

$C_{\mathrm{SMax}}=\frac{1}{\frac{1}{C}+\frac{1}{B}}=A$

C_PMin＝A+D＝B

其中，C_SMAX表示变容二极管与电容并联时等效电容的最大值；C_PMin表示变容二极管与电容串联时等效电容的最小值；

从而可以确定：

$C=\frac{1}{\frac{1}{A}-\frac{1}{B}}$

D＝B-A

进而可以获得匹配网络中等效电容的动态范围为：

$[\frac{1}{\frac{2}{A}-\frac{1}{B}},2B-A]$

由此，可以看出使用变容二级管后，匹配网络中等效电容的动态范围得到了扩大。

上述装置中，如果匹配网络处于匹配状态，则检测电路、判决电路工作，匹配控制电路保持等效阻抗的控制电压恒定，进入省电模式；如果匹配网络不处于匹配状态，则检测电路、判决电路及匹配控制电路三者工作，直到满足所设置的判决条件，匹配网络进入匹配状态为止。另外，移动终端不是通话状态时，检波器、判决电路及匹配控制电路处于非工作状态，仅循环器在工作。

基于上述装置，本发明还提供了一种阻抗匹配方法，如图4所示，该方法包括：

步骤401：读取功率控制命令；

本步骤中，从移动终端芯片读取功率控制命令，根据该功率控制命令获取对应的功率P_n并存储；所述功率控制命令用于控制射频功率放大器的功率等级n所对应的功率P_n，当移动终端如手机，处于不同状态时，其功率等级n也有所不同。

步骤402：将功率信号发射至匹配目标；

本步骤中，射频功率放大器将功率信号P_n经过循环器、匹配网络发送至匹配目标，如手机天线；因循环器具有较高的隔离度，此时，循环器的导通方向为射频功率放大器至匹配网络方向，也就是说，功率信号不会通过循环器发送至检波器。

步骤403：检测反射信号强度；

本步骤中：匹配目标将反射信号经匹配网络、循环器发送至检波器；因循环器具有较高的隔离度，此时，循环器的导通方向为匹配网络至检波器方向，也就是说，反射信号不会通过循环器发送回射频功率放大器；检波器经过一定的采样周期，检测经循环器后的反射信号强度S_N，并将其存储在寄存器中；

其中，N为采样的总次数，每采样一次，N的值加1；根据判决电路算法的不同，可以选择不同容量的寄存器。

步骤404：判断是否满足判决条件一：(S_N)²/P_n＜0.001，若满足条件一，则保持第N次采样时该等效阻抗的控制电压不变，并存储S_N，执行步骤406；若不满足条件一，执行步骤405；

本步骤中，首先，保持匹配网络中的任意两个等效阻抗的控制电压不变，调节另外一个等效阻抗的控制电压。其次，信号处理器从寄存器中读取S_N、S_N-1、S_N+1以及P_n，并根据最速下降算法，判断同一采样时刻的S_N与P_n是否满足判决条件一：(S_N)²/P_n＜0.001，若满足条件一，说明此时的反射信号强度S_N为最小，匹配网络中的其中一个等效阻抗处于匹配状态，则立即保持N采样时刻下该等效阻抗的控制电压V_N不变，并将此时的反射信号强度S_N存储在寄存器中。

步骤405：判断是否满足判决条件二：N＜5000，S_N+1＞S_N且S_N＜S_N-1，若满足条件二，则调节等效阻抗的控制电压为V_N，并存储S_N，执行步骤406；若不满足条件二，则射频功率放大器无法与匹配目标相匹配，终止循环，结束当前处理流程。

本步骤中，若不满足判决条件一，则根据判决条件二：N＜5000，S_N+1＞S_N且S_N＜S_N-1，从寄存器中找到满足条件二的S_N，及其所对应的等效阻抗的控制电压V_N，并将N+1次采样时的等效阻抗的控制电压V_N+1调节为第N次采样时的电压V_N，使匹配网络中的其中一个等效阻抗进入匹配状态，并将S_N存储在寄存器中，此时的反射信号强度S_N为最小。若不满足条件二，则匹配网络无法进入匹配状态，即射频功率放大器无法与匹配目标相匹配，终止循环。

步骤406：保持该等效阻抗的控制电压不变，依次调节另外两个等效阻抗的控制电压；

本步骤中，保持该等效阻抗的电压V_N不变，根据最速下降算法及上述两个判决条件，按照上述步骤404～405的判断过程依次调节匹配网络中另外两个等效阻抗的控制电压，直到匹配网络中三个等效阻抗完全进入匹配状态。

步骤407：判断是否满足：S_N+1＞1.25*S_N；如果满足条件，则返回步骤404，否则，保持原匹配状态；

本步骤中，当匹配网络处于匹配状态时，由于实时环境的变化，该匹配状态可能会遭到破坏，若S_N+1＞1.25*S_N，说明匹配状态遭到破坏，则要删除前面所存储的反射信号强度S_N，并跳出当前的匹配状态，重新开始采样，即N从0开始检测S_N，重新依次调节匹配网络中等效阻抗的控制电压，使匹配网络重新进入匹配状态；若不满足S_N+1＞1.25*S_N，说明匹配状态未被破坏，则保持原匹配状态不变，即不改变匹配网络中等效阻抗的控制电压。

采用本发明所述的方法，可以根据环境的需要，自适应的调节匹配网络中等效阻抗的控制电压，以得到最小的反射信号S_N，使匹配网络实现射频功率放大器与匹配目标之间的良好匹配。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种阻抗匹配装置，其特征在于，该装置包括：检测电路、判决电路及匹配控制电路；其中，

检测电路，用于处理从匹配目标反射回来的反射信号强度S_N；其中，N为采样次数；

判决电路，用于根据判决条件判断匹配控制电路中匹配网络的匹配状态；

匹配控制电路，用于根据判决电路的判断结果，调节匹配控制电路中匹配网络的等效阻抗的控制电压，其中，

所述检测电路包括寄存器；所述判决电路包括信号处理器；

所述寄存器，用于存储反射信号强度S_N，以及功率等级n对应的功率信号P_n;

信号处理器，用于从所述寄存器中读取反射信号强度S_N、S_N-1、S_N+1以及功率信号P_n，并根据所设置的判决条件，调节匹配控制电路的等效阻抗的控制电压；

所述信号处理器根据所设置的判决条件调节匹配控制电路的等效阻抗的控制电压，具体为：

信号处理器从寄存器中读取S_N、S_N-1、S_N+1以及P_n，并根据最速下降算法，判断S_N是否满足判决条件一：（S_N）2/P_n<0.001，满足判决条件一时，保持N采样时刻的等效阻抗的控制电压V_N不变，并将此时的S_N存储在寄存器中；不满足判决条件一时，根据判决条件二：N<5000、S_N+1>S_N且S_N<S_N-1，从寄存器中读取满足判决条件二的S_N所对应的等效阻抗的电压V_N，将N+1采样时刻的等效阻抗的电压调节为N采样时刻的电压V_N，并将S_N存储在寄存器中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测电路的处理是指采样并检测，其包括：循环器、检波器、命令读取器及寄存器；其中，

循环器，用于对射频功率放大器的功率信号P_n或匹配目标的反射信号强度S_N进行隔离；

检波器，用于采样并检测经过循环器的反射信号强度S_N，并将S_N保存在寄存器中，其中，N为采样次数；

命令读取器，用于从移动终端芯片读取功率控制命令，并将该功率控制命令对应的功率信号P_n保存在寄存器中；

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述循环器对功率信号或反射信号进行隔离，具体为：射频功率放大器的功率信号P_n，经过循环器、匹配网络发送至匹配目标；或者，匹配目标的反射信号强度S_N，经匹配网络、循环器发送至检波器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述匹配控制电路包括：调节电路、控制电压PWM产生模块及匹配网络；其中，

调节电路，用于从匹配网络的三个等效阻抗中，选择任意一个等效阻抗对其控制电压进行调整；

控制电压PWM产生模块，用于根据信号处理器及调节电路的命令，调节所需调整的等效阻抗的控制电压；

匹配网络，用于实现射频功率放大器与匹配目标之间的阻抗匹配。

5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述匹配控制电路中的等效阻抗使用变容二极管。

6.一种阻抗匹配方法，其特征在于，该方法包括：

根据反射信号强度S_N及射频功率放大器的功率P_n，通过相应的判决条件调节等效阻抗的控制电压，实现射频功率放大器与匹配目标的自适应匹配；其中，所述根据S_N及P_n通过相应的判决条件调节等效阻抗的控制电压，具体为：

读取S_N、S_N-1、S_N+1以及P_n，并根据最速下降算法，判断S_N是否满足判决条件一：（S_N）2/P_n<0.001，满足判决条件一时，保持N采样时刻的等效阻抗的控制电压V_N不变，并将此时的S_N存储在寄存器中；不满足判决条件一时，根据判决条件二：N<5000、S_N+1>SN且S_N<S_N-1，从寄存器中读取满足判决条件二的S_N所对应的等效阻抗的电压V_N，将N+1采样时刻的等效阻抗的电压调节为N采样时刻的电压V_N，并将S_N存储在寄存器中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述等效阻抗使用变容二极管。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括：射频功率放大器与匹配目标实现自适应匹配后，若S_N+1>1.25*S_N，则需将N从零开始重新采样反射信号强度S_N，并跳出当前的匹配状态，通过判决条件一或判决条件二，重新调节等效阻抗的控制电压，使射频功率放大器与匹配目标重新匹配；若不满足S_N+1>1.25*S_N，则保持原匹配状态不变。

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