CN102664601A - 一种自适应阻抗匹配模块 - Google Patents

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蒋书文
张光强
李言荣
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Abstract

本发明公开了一种自适应阻抗匹配模块，包括：可调匹配单元和主控制单元，其特征在于，还包括，第一功率检测器单元和第二功率检测器单元，所述可调匹配单元包括可调匹配网络和可控电源子单元。本发明的匹配模块通过检测传输信号的功率参数，对匹配网络两端的前后级电路进行实时的匹配调节，即利用现有的射频功率测量芯片检测可调匹配单元两端传输信号的功率大小，利用功率参数进行自适应调节，由于可以采用现有的检测芯片直接对功率进行检测因而提高了检测精度；在检测的过程中不需要定向耦合器的参与，因而缩小了模块面积，并且可以直接利用所测参数进行调节，节省了后续的复杂的参数编程算法处理，提高了模块的调节速率。

Description

一种自适应阻抗匹配模块
技术领域
本发明属于射频无线通信系统中的信号传输调控技术领域，具体涉及一种自适应阻抗匹配模块的设计。
背景技术
阻抗匹配是微波电子学里重要的一部分，主要用于信号或能量的传输，使所有微波信号皆能由信号源传送到负载点，不会有信号或能量反射回来，从而提升传输效益。即匹配的目的是为了保证信号能量有效地从信号源传送到负载。
通信系统在实际应用中，常常会遇到各个级联电路因各种因素导致阻抗匹配失调问题的发生，比如手机在信号的接收和发送中常常会因为周围环境和使用者的人体接触导致系统匹配失调，信源能量不能有效传输，自适应阻抗匹配模块能不断的自动调节匹配电路的匹配情况从而确保信号由信号源有效的传送到负载天线。
目前自适应阻抗匹配主要有以下几种实施方案：在US Patent，No.4,356,458和US Patent，No.2007/0232249中提到利用检测传输信号的反射系数；在文献IDA Jun-ichi TAKADATakeshi TODA Yasuyuki OISHI，An adaptive impedance matching system and its application tomobile antennas，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，21-24Nov.2004，543-546Vol.3中提到利用检测传输信号的入射/反射电压；在US Patent，No.2008/0266021提到利用负载的阻抗检测。上述几种自适应阻抗匹配方案通常存在一下问题：1.后续的参数处理要求比较高，需要复杂的参数编程计算，因此不利于自适应阻抗匹配模块的调节反应速率；2.需要结合定向耦合器来检测，造成了模块面积较大；3.信号的采集对工艺要求较高，不利于提高参数的检测精度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的自适应阻抗匹配模块存在的上述问题，提出了一种自适应阻抗匹配模块。
本发明的技术方案是：一种自适应阻抗匹配模块，包括：可调匹配单元、第一功率检测器单元、第二功率检测器单元和主控制单元，其中，
所述的可调匹配单元的输入端作为自适应阻抗匹配模块的输入端，所述可调匹配单元的输出端作为自适应阻抗匹配模块的输出端；
所述的第一功率检测器单元的输入端与可调匹配单元的输入端相连；
所述的第一功率检测器单元的输出端连接到所述的主控制单元将检测到的第一功率信号输入到所述的主控制单元；
所述的第二功率检测器单元的输入端与可调匹配单元的输出端相连；
所述的第二功率检测器单元的输出端连接到所述的主控制单元将检测到的第二功率信号输入到所述的主控制单元；
所述的主控制单元与可调匹配单元相连，根据检测到的第一功率信号和第二功率信号用于调节可调匹配单元。
进一步的，所述可调匹配单元包括可调匹配网络和可控电源子单元，所述主控制单元与可控电源子单元相连，根据检测到的第一功率信号和第二功率信号用于调节可控电源子单元的电压，所述可控电源子单元与可调匹配网络的可调端子相连，用于调节可调匹配网络。
进一步的，所述的第一功率检测器单元和第二功率检测器单元具体通过射频功率测量芯片实现。
本发明的有益效果：本发明的自适应阻抗匹配模块通过检测传输信号的功率参数，对匹配网络两端的前后级电路进行实时的匹配调节，即利用现有的射频功率测量芯片检测可调匹配单元两端传输信号的功率大小，利用功率参数进行自适应调节，由于可以采用现有的检测芯片直接对功率进行检测因而提高了检测精度；在检测的过程中不需要定向耦合器的参与，因而缩小了模块面积，并且可以直接利用所测参数进行调节，节省了后续的复杂的参数编程算法处理，从而提高了模块的调节速率。
附图说明
图1为本发明的自适应阻抗匹配模块的结构示意图。
图2为本发明的自适应阻抗匹配模块在负载天线中的应用示意图。
图3为实施例中可调匹配网络的结构示意图。
图4为实施例中功率检测器单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
本发明的自适应阻抗匹配模块的结构示意图如图1所示，包括：可调匹配单元、第一功率检测器单元、第二功率检测器单元和主控制单元，其中，
所述的可调匹配单元的输入端作为自适应阻抗匹配模块的输入端，所述可调匹配单元的输出端作为自适应阻抗匹配模块的输出端；
所述的第一功率检测器单元的输入端与可调匹配单元的输入端相连；
所述的第一功率检测器单元的输出端连接到所述的主控制单元将检测到的第一功率信号输入到所述的主控制单元；
所述的第二功率检测器单元的输入端与可调匹配单元的输出端相连；
所述的第二功率检测器单元的输出端连接到所述的主控制单元将检测到的第二功率信号输入到所述的主控制单元；
所述的主控制单元与可调匹配单元相连，根据检测到的第一功率信号和第二功率信号用于调节可调匹配单元。
如图1所示，这里的可调匹配单元可以采用如下的一种方式，包括可调匹配网络和可控电源子单元，主控制单元与可控电源子单元相连，根据检测到的第一功率信号和第二功率信号用于调节可控电源子单元的电压，所述可控电源子单元与可调匹配网络的可调端子相连，用于调节可调匹配网络。
这里的第一功率检测器单元和第二功率检测器单元具体通过射频功率测量芯片实现。
本发明的基本思想是：利用第一功率检测器单元和第二功率检测器单元分别检测可调匹配网络两端信号功率的大小，依据所测的功率参数，经主控制单元计算优化，来实现自适应阻抗匹配模块的实时匹配调节。
具体的，可调匹配单元连接于自适应阻抗匹配模块的输入端和输出端之间，主要完成前后级电路之间的阻抗匹配；第一功率检测器单元连接于信号接收/发送端和可调匹配单元之间，主要完成对可调匹配网络前端传输信号功率的检测；第二功率检测器单元连接于可调匹配网络和自适应阻抗匹配模块的输出端之间，主要完成对可调匹配网络后端传输信号功率的检测；主控制单元连接于第一功率检测器单元、第二功率检测器单元和可调匹配单元三者之间，主要完成对自适应阻抗匹配模块中各个单元的调控，以及对可调匹配单元前后端所测功率参数的处理，功率参数的处理主要基于快速优化算法，例如梯度下降法。可控电源子单元连接于主控制单元和可调匹配网络之间，主要利用功率参数经主控制单元的对可调匹配网络中的可变器件进行阻抗调节，从而使可调匹配网络的前后级电路匹配，主控制单元通过不停的检测两端的功率从而达到了实时匹配调节的目的。
图2为本发明的自适应阻抗匹配模块在负载天线中的应用示意图，自适应阻抗匹配模块位于信号接收/发送端和负载天线之间，主要功能是使可调匹配网络的前后级电路实时的保持匹配。
图3为可调匹配网络的结构示意图，包括，可调电容器C1、C2，固定电感器L1、L2，可控电源子单元按照主控制单元的指示来调节可调匹配网络，可控电源子单元主要调节可调匹配网络中的可调电容器C1和C2两端所加偏压的大小，以改变可调电容器C1和C2的容值，从而改变了可调匹配网络前后级电路的匹配情况，具体的电容调节流程由主控制单元编程优化算法决定，这里具体可以采用梯度下降法进行，这里的编程优化算法属于本领域的现有技术，在此不再详细描述。
这里，可调电容器的数量根据具体的应用决定，可调电容器的数量也决定了可控电源子单元中可控电源的数量。
通常可调匹配网络采用的是可变电容及电感π型匹配网络。π型匹配网络包含了所有的L-C匹配形式，图3所示的可调匹配网络仅为自适应阻抗匹配模块的一个实施案例并非限于此，具体的网络形式可依据不同的需要进行合理的选择。
图4为本发明所采用的第一功率检测器单元和第二功率检测器单元的结构示意图，具体采用凌力尔特公司推出的单片宽带、高性能对数射频功率检波器LTC5505及其外围电路实现，具体包括电容C3、C4，耦合电阻R1和射频功率测量芯片LTC5505，这里的LTC5505以单端射频输入工作，不需要外部射频变压器，而且体积小，因此简化了设计，同时降低了成本，并且有利于缩小通信系统的整体面积。
传输线上的射频信号经耦合电容C3和耦合电阻R1耦合进入射频功率测量芯片LTC5505，主控制单元通过控制射频功率测量芯片LTC5505的使能端的高低电平让功率检测芯片LTC5505处于工作状态，射频功率测量芯片LTC5505由第四引脚输出检测的结果，输出为一个与所测功率大小成线性对数关系的直流电压，所测电压经数模转换和放大等处理后传送给主控制单元来进行计算和调节匹配网络，其中，电容C4起滤波的作用。这里，利用了射频功率测量芯片，因而不需要定向耦合器的参与，降低了模块的体积，并且也提高了检测的精度。
这里的可控电源子单元、主控制单元(本例可以采用单片机STC89C52)等知识是本领域人员所熟知的，在此不做详细介绍。
以图2所示的应用为例来说明本发明的自适应阻抗匹配模块的工作过程：
当通信系统工作在发送状态，射频信号由信号接收/发送端经可调匹配网络向负载天线传输，第一功率检测器单元首先检测可调匹配网络前端的输入功率大小P1，并将检测结果经数/模转换和放大处理后传送给主控制单元，信号经过可调匹配网络时由于失配导致信号不能完全传输，此时第二功率检测器单元检测可调匹配网络后端的输出功率大小P2，并将检测结果经数/模转换和放大处理后传送给主控制单元，完成两个功率的处理后，主控制单元计算出两功率的差值A＝P1-P2，利用参数A基于编程优化算法得出可调匹配网络2的调控信息，主控制单元依据调控信息控制可控电源子单元，可控电源子单元按照主控制单元的指示来调节可调匹配网络中的可变电容器。该过程不断的重复进行，从而完成了匹配的自适应调节。这里，检测到的参数A可以直接利用，不像阻抗检测等其它的匹配方案，需要对检测到的参数做进一步的复杂的后续处理才能加以利用，从而提高了模块的调节速率。
综上，可以看出，本发明的自适应阻抗匹配模块通过检测传输信号的功率参数，对匹配网络两端的前后级电路进行实时的匹配调节，即利用现有的射频功率测量芯片检测可调匹配单元两端传输信号的功率大小，利用功率参数进行自适应调节，由于可以采用现有的检测芯片直接对功率进行检测因而提高了检测精度；在检测的过程中不需要定向耦合器的参与，因而缩小了模块面积，并且可以直接利用所测参数进行调节，节省了后续的复杂的参数编程算法处理，从而提高了模块的调节速率。
以上所述，凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自适应阻抗匹配模块，包括：可调匹配单元和主控制单元，其特征在于，还包括，第一功率检测器单元和第二功率检测器单元，其中，
所述的可调匹配单元的输入端作为自适应阻抗匹配模块的输入端，所述可调匹配单元的输出端作为自适应阻抗匹配模块的输出端；
所述的第一功率检测器单元的输入端与可调匹配单元的输入端相连；
所述的第一功率检测器单元的输出端连接到所述的主控制单元将检测到的第一功率信号输入到所述的主控制单元；
所述的第二功率检测器单元的输入端与可调匹配单元的输出端相连；
所述的第二功率检测器单元的输出端连接到所述的主控制单元将检测到的第二功率信号输入到所述的主控制单元；
所述的主控制单元与可调匹配单元相连，根据检测到的第一功率信号和第二功率信号用于调节可调匹配单元。
2.根据权利要求1所述的自适应阻抗匹配模块，其特征在于，所述可调匹配单元包括可调匹配网络和可控电源子单元，所述主控制单元与可控电源子单元相连，根据检测到的第一功率信号和第二功率信号用于调节可控电源子单元的电压，所述可控电源子单元与可调匹配网络的可调端子相连，用于调节可调匹配网络。
3.根据权利要求1或2所述的自适应阻抗匹配模块，其特征在于，所述的第一功率检测器单元和第二功率检测器单元具体通过射频功率测量芯片实现。
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