CN102474294B - 用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置 - Google Patents

用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置 Download PDF

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CN102474294B CN201080035854.3A CN201080035854A CN102474294B CN 102474294 B CN102474294 B CN 102474294B CN 201080035854 A CN201080035854 A CN 201080035854A CN 102474294 B CN102474294 B CN 102474294B
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Abstract

本发明公开一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置，其中匹配单元连接到其中耦合器输出传输信号的耦合功率的输出端子，控制器调节匹配单元的阻抗，以使得通过耦合器输出的反射功率最小化，且控制器调节调谐器的阻抗，以允许调谐器与天线的合成阻抗等于匹配单元的阻抗，但是相位相反，从而在最佳状态下调节天线的阻抗。

Description

用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置。
背景技术
移动终端中的天线电路用于通过天线传输预定的无线电信号或接收信号。为了使天线具有最佳的传输/接收辐射性能，要正确地匹配阻抗。因此，天线电路包括电容器和电感器，其中将所述电容器和电感器控制为在最佳状态下与所述天线的阻抗匹配。
通常，阻抗匹配是在移动终端位于自由空间时匹配天线的阻抗。同时，以这样的方式特征性地使用移动终端，其中手持移动终端的主体且扬声器接触耳朵，或者使用耳机，将移动终端的主体放在口袋或包中。
根据用户通过手持移动终端主体、将主体接触耳朵或者将主体放在口袋或包中来使用移动终端，天线的阻抗匹配条件变为可变的，由此，其阻抗已经在自由空间中匹配的天线的传输/接收辐射性能不可避免地下降。
结果，移动终端采用具有天线的自适应调谐天线电路，在天线的阻抗匹配条件改变的情况下，通过自动控制天线的阻抗，天线具有最佳的传输/接收辐射性能。为了使自适应调谐天线电路保持最佳状态，检测天线的改变的阻抗状态是必要的。为此，将自适应调谐天线电路与耦合器耦合，并检测通过耦合器输出的反射功率和前向功率。调节调谐器，以基于检测的反射功率和前向功率来控制天线的阻抗。
但是，为了通过检测反射功率和前向功率来控制天线的阻抗，实质上，两个功率检测器用于检测反射功率和前向功率。阻抗控制实际上是测量由天线的阻抗不匹配所导致的、从天线反射的反射功率。因此出现了一个问题，其中从天线发射的信号的输出实际上在最佳地匹配天线的阻抗的过程中改变。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置，其被配置为通过利用一个功率检测器来控制天线的阻抗。
本发明的另一目的是提供一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置，其被配置为使实际上在寻找最佳天线匹配值的过程中发射的信号没有变化。
本发明要解决的技术问题不限于上述目的，并且本领域技术人员通过以下描述可清楚地理解迄今未提及的任何其他技术问题。
技术方案
本发明的目的是整体或部分地解决至少一个或多个上述问题和/或缺点，至少提供这里所述的优点。为了整体或部分地至少实现上述目的，并根据本发明的目标，如同具体实施并宽泛描述的，提供一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置，其特征在于：耦合器，其被配置用于将输入的传输信号输出到传输信号输出端子，以及将反射功率和传输信号的耦合功率输出；调谐器，其被配置用于控制天线的阻抗，以及将通过所述耦合器输出的传输信号提供给所述天线；匹配单元，其被配置用于与所述耦合器输出的所述耦合功率匹配；功率检测器，其被配置用于检测通过所述耦合器输出的反射功率的电平；以及控制器，其被配置用于通过跟踪能够将所述功率检测器检测的反射功率的电平最小化的阻抗的位置，控制所述匹配单元的阻抗，并基于所述匹配单元的阻抗来控制所述天线的阻抗。
在本发明的一些示例性实施例中，可以控制所述调谐器的阻抗，使得所述调谐器与所述天线的合成阻抗与所述匹配单元的阻抗相同，但是相位相反。
在本发明的一些示例性实施例中，所述匹配单元可以包括pin二极管(pin diode)，所述pin二极管连接到其中所述耦合器输出耦合功率的输出端子，以及通过所述控制器的控制来改变RF(射频)；变容二极管，所述变容二极管连接到其中所述耦合器输出耦合功率的输出端子，以及通过所述控制器的控制来改变电容；以及电感器，所述电感器串联连接到所述变容二极管。
在本发明的一些示例性实施例中，用于中断DC(直流电流)信号的电容器可以插入在其中所述耦合器输出所述耦合功率的所述输出端子、串联连接的所述变容二极管和所述电感器之间。
在本发明的一些示例性实施例中，所述匹配单元可以包括偏置电阻器，所述偏置电阻器将所述控制器输出的控制电流提供给所述pin二极管的控制端子。
在本发明的一些示例性实施例中，用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置可以包括存储器，其中将用于基于所述匹配单元的阻抗变化来改变调谐器阻抗的控制信号预存储在查找表中。
在本发明的另一方面，提供一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置，其特征在于：耦合器，其被配置用于将输入的传输信号输出到传输信号输出端子，以及将反射功率和传输信号的耦合功率输出；匹配单元，其被配置用于与所述耦合器输出的所述耦合功率匹配；功率检测器，其被配置用于检测通过所述耦合器输出的反射功率的电平；以及控制器，其被配置用于通过跟踪能够将所述功率检测器检测的反射功率的电平最小化的阻抗的位置，来控制所述匹配单元的阻抗。
在本发明的一些示例性实施例中，所述匹配单元可以包括pin二极管，其连接到其中所述耦合器输出耦合功率的输出端子，并且通过所述控制器的控制来改变RF(射频)；变容二极管，其连接到其中所述耦合器输出耦合功率的输出端子，并且通过所述控制器的控制来改变电容；以及电感器，其串联连接到所述变容二极管。
在本发明的一些示例性实施例中，用于中断DC(直流电流)信号的电容器可以插入在其中所述耦合器输出所述耦合功率的所述输出端子、串联连接的所述变容二极管和所述电感器之间。
在本发明的一些示例性实施例中，所述匹配单元可以包括偏置电阻器，其将所述控制器输出的控制电流提供给所述pin二极管的控制端子。
有益效果
根据本发明用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置具有的有益效果在于，其中耦合器输出耦合功率的输出端子形成有匹配单元，匹配单元的阻抗被改变，并通过一个功率检测器来检测由耦合器输出的反射功率的电平，以使得反射功率的电平最小化。此外，控制调谐器单元以调节成使得调谐器单元与天线的合成阻抗等于匹配单元的阻抗，同时使得相位相反，由此天线的阻抗被匹配。因此，只使用一个功率检测器就能正确地匹配天线的阻抗。此外，本发明的特征在于，改变匹配单元的阻抗以调节调谐器单元和匹配天线的阻抗，并且在匹配天线的阻抗的过程中，在从天线辐射的信号的输出中实际上没有变化。
附图说明
图1是示出根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置的操作原理的示意图。
图2是示出根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置的结构的示意图。
图3是示出在根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中使用的pin二极管的电流-RF阻抗特性的曲线图。
图4是示出在根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中使用的变容二极管的电压-电容特性的曲线图。
图5是在根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中使用的匹配单元的等效电路图。
图6和图7是根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中，在设置在匹配单元中的变容二极管的电容值增加的情况下以及在设置在匹配单元中的变容二极管的电容值减小的情况下各自的导纳图。
图8和图9是根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中，在将设置在匹配单元中的pin二极管的RF阻抗设定为高值的情况下以及在将设置在匹配单元中的pin二极管的RF阻抗设定为低值的情况下各自的导纳图。
具体实施方式
在描述本发明时，可以省略本领域中已知结构和处理的详细描述，以避免被有关这些已知结构和功能的不必要细节模糊本领域技术人员对本发明的理解。这里所示的细节是通过示例的方式，并且目的只是说明性地讨论本发明的实施例，并且是为了提供被认为是本发明的原理和构思性方面的最有用和最容易理解的描述而提出的。在这点上，不企图示出比本发明的基本理解所必须的更详细的本发明的结构细节，结合附图的描述使得本发明的若干形式怎样在实践中具体实施对本领域技术人员而言显而易见。
图1是示出根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置的操作原理的示意图，其中附图标记100是耦合器。
耦合器(100)将传输信号输出到输入端子(IN)，将输入的传输信号输出到输出端子(OUT)，并将该信号提供给天线(110)。耦合器(100)也将传输信号的耦合功率输出到耦合功率输出端子(FP)，传输信号的耦合功率的电平弱于输出到传输信号输出端子(OUT)的传输信号的功率的电平。耦合器(100)进一步将耦合功率输出到传输信号输出端子(OUT)，并将从天线(110)反射的反射波的耦合功率以及从耦合功率输出端子(FP)反射的反射功率输出到反射功率输出端子(RP)。
耦合功率输出端子(FP)设置有匹配单元(120)，并且反射波的耦合功率输出端子(RP)设置有功率检测器(130)。此时，如果将天线(110)的反射系数定义为将匹配单元(120)的反射系数定义为将从天线(110)反射并输出到反射功率输出端子(RP)的信号定义为Sout_A，以及将从匹配单元(120)反射并输出到反射功率输出端子(RP)的信号定义为Sout_M，通过以下方程式1和方程式2可以获得Sout_A和Sout_M。
<方程式1>
<方程式2>
其中，Sxy(x和y为1、2、3、4)是输入到y端子并输出到x端子的信号的强度。当S31＝S42且S43＝S21时，可以利用以下方程式3代替方程式2的Sout_M。
<方程式3>
在方程式1与方程式3之间的比较中，能够注意到，从天线(110)反射并输出到反射功率的信号值Sout_A和从匹配单元(120)反射并输出到反射功率输出端子(RP)的信号值Sout_M具有与天线(110)的反射系数和匹配单元(120)的反射系数差不多的差异。从天线(110)和匹配单元(110)反射并输出到反射功率输出端子(RP)的信号Sout可以通过以下方程式4获得。
<方程式4>
基于方程式4，可以注意到，天线(110)的反射系数和匹配单元(120)的反射系数相等，并且如果两者之间的相位相反，则反射系数与反射系数相互抵消，且Sout的大小为零(0)。
因此，在适当调节匹配单元(120)的阻抗的情况下，并通过功率检测器(130)检测输出到耦合器(100)的反射功率输出端子(RP)的Sout的大小，可以获得从耦合器(100)的传输信号输出端子(OUT)到天线(110)的阻抗信息。因为，在通过功率检测器(130)检测的反射功率的强度小的情况下，从耦合器(100)的传输信号输出端子(OUT)到天线(110)的阻抗等于匹配单元(120)的阻抗，但是相位相反。
图2是示出根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置的结构的示意图，其中附图标记200是耦合器。耦合器(200)将输入到输入端子(IN)的传输信号输出到传输信号输出端子(OUT)。
耦合器(200)也将传输信号的耦合功率输出到耦合功率输出端子(FP)，传输信号的耦合功率的电平弱于输出到传输信号输出端子(OUT)的传输信号的功率的电平。耦合器(200)进一步将从传输信号输出端子(OUT)以及耦合功率输出端子(FP)反射的反射功率输出到反射功率输出端子(RP)。耦合器(200)的传输信号输出端子(OUT)通过调谐器(210)连接到天线(220)，调谐器(210)的阻抗响应于控制信号而变化。耦合器(200)的耦合功率输出端子(FP)连接到匹配单元(230)，并且耦合器(200)处反射波的耦合功率输出端子(RP)连接到功率检测器(240)。
匹配单元(230)被配置成使得耦合功率输出端子(FP)由pin二极管(231)连接，且pin二极管(231)的控制端子由偏置电阻器(233)连接。此外，耦合功率输出端子(FP)由DC中断电容器(235)、变容二极管(237)和电感器(239)串联连接，并且变容二极管(237)的控制端子被施加有控制电压。
附图标记250是控制器。控制器(250)通过偏置电阻器(233)向pin二极管(231)提供控制电流，并向变容二极管(237)提供控制电压，由此改变匹配单元(230)的阻抗，以允许将由功率检测器(240)检测的反射功率的电平最小化。
控制器(250)控制调谐器(210)，以允许调谐器(210)与天线(220)的合成阻抗等于匹配单元的阻抗，并允许相位彼此相反。附图标记260是存储器。根据控制器(250)，存储器(260)预存储有调谐器(210)的控制信号，所述控制信号允许调谐器(210)与天线(220)的合成阻抗等于匹配单元(230)的阻抗。
在这样配置的用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中，要被无线传输的传输信号被输入到耦合器(200)的输入端子(IN)，并输出到传输信号输出端子(OUT)。输出到耦合器(200)的传输信号输出端子(OUT)的传输信号通过调谐器(210)施加到天线(220)，并且被无线传输。
此外，耦合器(200)还将传输信号的耦合功率输出到耦合功率输出端子(FP)，传输信号的耦合功率的电平弱于输出到传输信号输出端子(OUT)的传输信号的功率的电平。此外，耦合器(100)将耦合功率输出到传输信号输出端子(OUT)，并将通过反射而输出到传输信号输出端子(OUT)的反射功率输出到反射功率输出端子(RP)，将通过反射而输出到耦合功率输出端子(FP)的反射功率输出到反射功率输出端子(RP)。
输出到耦合器(200)的反射功率输出端子(RP)的反射功率被输出到功率检测器(240)，以检测反射功率的电平，并且反射功率的检测的电平被输入到控制器(250)。
在这种情况下，控制器(250)将控制信号输出到匹配单元(230)，以改变pin二极管(231)的RF阻抗和变容二极管(237)的电容，由此改变匹配单元(230)的阻抗。
也就是说，pin二极管(231)使得RF阻抗值响应于施加给控制端子的控制电流而改变，例如如图3所示。变容二极管(237)使得电容响应于施加给控制端子的电压而改变，如图4所示。
如果在等效电路中示出匹配单元(230)，则作为可调谐的电介质电容器的变容二极管(237)与电感器(239)串联连接，如图5所示。通过其中将pin二极管(231)与作为可调谐的电介质电容器的变容二极管(237)和电感器(239)并联连接的结构，来形成RF阻抗。
控制器(250)产生控制电流，且产生的控制电流通过偏置电阻器(233)被供应给pin二极管(231)，以改变pin二极管(233)的RF阻抗。控制器(250)还产生控制电压，且产生的控制电压被施加给变容二极管(237)的控制端子，以允许变容二极管(237)具有响应于控制电压的预定电容。
如上所述，控制器(250)改变pin二极管(233)的RF阻抗和变容二极管(237)的电容，以使匹配单元(230)的阻抗变化。图6、图7、图8和图9示出各个导纳图上匹配单元(230)的可变RF阻抗，仅旋转通过180度，就可以将导纳图用作史密斯图。
本发明的方式
图6和图7是根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中，在设置在匹配单元(230)中的变容二极管(237)的电容值增加的情况下以及在设置在匹配单元中的变容二极管的电容值减小的情况下各自的导纳图。
参照图6和图7，可以注意到，变容二极管(237)的电容值的变化可以改变相应区域内匹配单元(230)的RF阻抗。
图8和图9是根据本发明的、用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置中，在将设置在匹配单元(230)中的pin二极管(231)的RF阻抗设定为高值的情况下以及在将设置在匹配单元(230)中的pin二极管(231)的RF阻抗设定为低值的情况下各自的导纳图。
参照图8和图9，可以注意到，pin二极管(231)的RF阻抗值的变化可以改变相应区域内匹配单元(230)的RF阻抗。如图所示，pin二极管(231)的RF阻抗可以在图6和图7所示的区域内改变，并且变容二极管(237)的电容可以在图8和图9所示的区域内改变。
因此，可以注意到，在区域中通过功率检测器(240)检测的功率被最小化的点正好是靠近其中调谐器(210)与天线(220)的合成阻抗大小等于匹配单元(230)的阻抗并且相位相反的点的点，并且利用这个事实，可以调节调谐器(210)的阻抗，以获得最佳的天线阻抗匹配。
根据本发明，控制器(250)改变匹配单元(230)的阻抗，并在存储器(260)中的查找表上寻找与匹配单元(230)的改变的阻抗相对应的控制信号，并将控制信号输出到调谐器(210)。然后，调谐器(210)响应于由控制器(250)输出的控制信号而改变阻抗，其中调谐器(210)与天线(220)的合成阻抗变为等于匹配单元(230)的阻抗，但是相位变为彼此相反。
也就是说，存储器(260)在其查找表上预存储有用于输出到调谐器(210)的控制信号，该控制信号与输出到匹配单元(230)的控制信号相对应。通过查找表被预存储在存储器(260)中的控制信号使得调谐器(210)与天线(22)的合成阻抗等于匹配单元(230)的RF阻抗，并且相位相反，其中控制器(250)改变匹配单元(230)的RF阻抗，并且同时改变调谐器(210)的阻抗。
在这种情况下，控制器(250)输入通过功率检测器(240)检测的反射功率的电平，并跟踪使反射功率的输入电平最小化的阻抗的位置以改变匹配单元(230)的RF阻抗，并且基于匹配单元(230)的RF阻抗的变化而同时改变调谐器(210)的阻抗。
此外，在通过功率检测器(240)检测的反射功率的电平最小化的情况下，在最佳状态下匹配天线(220)的阻抗，其中天线(220)以最佳的传输/接收发射性能操作。
虽然已经参照其示例性实施例具体地示出和描述本发明，但是一般的发明性构思不限于上述实施例。本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变和变化。
工业应用性
根据本发明用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置具有的工业实用性在于，天线的阻抗可以被调节，并且在最佳状态下被匹配，同时不改变来自天线的信号输出。

Claims (8)

1.一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置，该装置包括：
耦合器，所述耦合器被配置用于将输入的传输信号输出到传输信号输出端子，将传输信号的耦合功率输出到耦合功率输出端子，并且将反射功率输出到反射功率输出端子；
调谐器，所述调谐器被配置用于控制天线的阻抗，并且将由所述耦合器输出的传输信号供应给所述天线；
匹配单元，所述匹配单元被配置用于与由所述耦合器输出的耦合功率匹配；
功率检测器，所述功率检测器被配置用于检测由所述耦合器输出的反射功率的电平；以及
控制器，所述控制器被配置用于通过跟踪能够将由所述功率检测器检测的反射功率的电平最小化的阻抗的位置来控制所述匹配单元的阻抗，并基于所述匹配单元的阻抗来控制所述天线的阻抗，
其中，所述匹配单元包括：
pin二极管，所述pin二极管通过所述pin二极管的阳极连接到所述耦合功率输出端子，并且通过所述控制器的控制来改变所述pin二极管的RF(射频)阻抗，
变容二极管，所述变容二极管通过所述变容二极管的阴极连接到所述耦合器的所述耦合功率输出端子，并联连接到所述pin二极管，并且通过所述控制器的控制来改变所述变容二极管的电容，以及
电感器，所述电感器串联连接到所述变容二极管的阳极。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，控制所述调谐器的阻抗，使得所述调谐器与所述天线的合成阻抗与所述匹配单元的阻抗相同，而相位相反。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：电容器，所述电容器被配置用于中断DC(直流电流)信号，所述电容器插入在所述耦合器的所述耦合功率输出端子和所述变容二极管之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述匹配单元包括偏置电阻器，所述偏置电阻器将由所述控制器输出的控制电流供应给所述pin二极管的控制端子。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：存储器，所述存储器对用于基于所述匹配单元的阻抗变化而改变所述调谐器的阻抗的控制信号进行预存储，所述控制信号在所述存储器中被预存储为查找表。
6.一种用于控制自适应调谐天线电路中的阻抗的装置，所述装置包括：
耦合器，所述耦合器被配置用于将输入的传输信号输出到传输信号输出端子，将传输信号的耦合功率输出到耦合功率输出端子，并且将反射功率输出到反射功率输出端子；
匹配单元，所述匹配单元被配置用于与由所述耦合器输出的耦合功率匹配；
功率检测器，所述功率检测器被配置用于检测由所述耦合器输出的反射功率的电平；以及
控制器，所述控制器被配置用于通过跟踪能够将由所述功率检测器检测的反射功率的电平最小化的阻抗的位置，来控制所述匹配单元的阻抗，
其中，所述匹配单元包括：
pin二极管，所述pin二极管通过所述pin二极管的阳极连接到所述耦合功率输出端子，并且通过所述控制器的控制来改变所述pin二极管的RF(射频)阻抗，
变容二极管，所述变容二极管通过所述变容二极管的阴极连接到所述耦合器的所述耦合功率输出端子，并联连接到所述pin二极管，并且通过所述控制器的控制来改变所述变容二极管的电容，以及
电感器，所述电感器串联连接到所述变容二极管的阳极。
7.根据权利要求6所述的装置，进一步包括：电容器，所述电容器用于中断DC(直流电流)信号，所述电容器插入在所述耦合器的所述耦合功率输出端子和所述变容二极管之间。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述匹配单元包括偏置电阻器，所述偏置电阻器将由所述控制器输出的控制电流供应给所述pin二极管的控制端子。
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