CN103609026B - 控制mtd天线vswr和用于sar控制的耦合 - Google Patents

Abstract

已经开发了一种方法和装置，用于通过设计在每个天线与其功率放大器之间的适当匹配的电路以减小移动设备的SAR。在存在这样的匹配电路的情况下可以执行普通的相位调节以提供能够在相位调节期间得以保持的优选的安全SAR水平而不牺牲TRP。

Description

控制MTD天线VSWR和用于SAR控制的耦合

优先权

本申请要求于2011年6月21日提交的第61/499,593号美国临时申请以及于2011年6月23日提交的第61/500,209号美国临时申请的优先权。

技术领域

本公开涉及能够控制比吸收率（Specific Absorption Rate）和总辐射功率（Total Radiated Power）的移动传输分集系统。

背景技术

移动设备与基站之间的信号传输通过移动传输分集（MTD）得到增强。MTD的一种形式在移动单元中采用多个天线，每个天线发射同一数据。对来自两个或更多个天线的信号之间的相位差进行控制，使得在基站处接收的信号的相长干涉提供在基站处接收的功率大于在不存在另一（其他）天线的情况下从每个天线辐射的接收功率的算术和。通过使来自天线的信号之间的相位差变化，峰值辐射功率可以被引导以集中于基站的天线。通常MTD使用两个天线。

由于到达基站天线的信号的相位例如由于反射等而被路径长度的改变所影响，因此已经开发出闭环MTD，其中多个移动单元天线的相位差响应于来自基站的反馈而被调节。具体而言，诸如比特误码率之类的品质因素、或者在基站处确定的功率控制位（PCB）或发射器功率控制（TPC）参数可以被传达回到移动设备，或者基站可以返回指示应当降低还是升高接收功率的信号。这一来自基站的传达用信号表示需要调节天线输出之间的相位差。

由于移动设备位于靠近用户的位置，因此也监测影响用户的辐射的量。比吸收率（SAR）是对被生物组织所吸收的功率量的测量，并且目标在于将SAR保持在预定值以下。吸收水平通常可以通过在进行发射时将以液体填充的模型头部、模型手部或者其他模拟的人体部位接近于移动设备的边缘放置来定义和测量。对液体温度的升高的测量提供对总体上或者在特定点处的辐射暴露的指示。

为了满足SAR要求，常规的方式可能是基于峰值辐射点而不是峰值辐射平均（即总辐射功率（TRP））来设定天线辐射限制。该常规方式可以使供应商对最大功率和/或最大数据速率加以限制。

发明内容

已经开发了一种装置和方法用于为移动设备减小近场位置处的SAR，其中如若不然则SAR可能达到其最高值。这依赖于至今仍被视作移动分集系统中的难题的问题。具体而言，由于MTD系统中的天线彼此接近，因此广播天线从彼此接收强信号。这由于由天线相互作用造成的驻波而引入为天线传输指定相位的复杂性。在本公开中这一效应从损害被转为特点，通过提供用于设计每个天线之间合适的匹配电路及其功率放大器，并且通过提供如此设计的设备来利用该特点。这些匹配电路的正常功能在于减小VSWR（电压驻波比），VSWR是对天线与其功率放大器之间的阻抗失配的测量。在存在这样的匹配电路的情况下可以执行相位调节，但是不同于完全使用匹配电路来对由天线相互作用导致的驻波所引起的相位改变进行补偿，而是利用如匹配电路所确定的驻波的存在来提供能够在相位调节期间得以保持的优选的安全SAR水平。

本公开实现了一种包括多个天线的传输分集设备，每个天线从由匹配电路调解的相应的功率放大器接收信号，所述匹配电路具有包括多个阻抗部件的网络拓扑结构，其中阻抗的值被选择以在产生反射系数和电压驻波比值，反射系数和电压驻波比值在由天线之间的耦合的信号产生最坏情况比吸收率的相位设定处减少总辐射功率。该示例可以产生恒定的平均TRP而不超过预先设定的SAR限制或阈值。

附图说明

图1描绘了移动传输分集系统中的反射和耦合机制。

图2是TRP对天线信号相位差的绘图。

图3描绘了匹配电路在移动传输分集系统中的布置。

图4描绘了匹配电路的一个示例。

图5描绘了根据一个匹配电路仿真的信号的相位和幅度。

图6描绘了根据另一匹配电路仿真的信号的相位和幅度。

图7描绘了TRP对天线之间的相位差。

图8描绘了具有电感式匹配电路的MTD的TRP。

图9描绘了MTD电容式匹配电路的TRP。

图10描绘了具有两个天线A和B的MTD的物理配置。

具体实施方式

有两个问题影响MTD性能：（1）在其中存在被称为主天线和副天线的两个天线的情形下，存在天线被设定在的“最坏”相位，其中来自每个天线的信号相加以创建最高的比吸收率（SAR）。通常，这一效应是由来自每个天线的信号流量的近场加和所导致的，每个天线处于其中天线处的信号在那时同相这样的相位关系。（2）第二个问题同天线电压驻波比（VSWR）与在天线之间的耦合的相互作用有关。随着两个天线之间的相位改变（比如在“指出波束”中所做的），存在总辐射功率（TRP）的改变。TRP的这一改变时很有可能的，这是由于从一个天线耦合至另一天线的功率与从该天线反射的电压进行组合，从而增加或减少对功率放大器（PA）而言的明显VSWR的事实。因为这一效应是由于两个电压相加或相减，因此它依赖于两个信号的相对相位。

本公开涉及一种设计方法，使得创建SAR的最大值的电相位差具有某种较低的TRP，但是利用这样的实现方式，移动设备会以更高的平均TRP进行操作而不超过SAR限制。

天线VSWR-天线耦合。

图1是解释天线耦合与VSWR之间的机制如何表现的简化框图。其示出如下示例，其中两个发射器分别在+21dBm工作，并且分别具有导致-10dB的回波损耗的2:1的VSWR。因此，来自天线的反射功率是+11dBm。另外，这一示例示出了具有10dB损耗的从左侧的发射器至右侧的发射器的耦合，其向进入右侧的发射器中引入+11dBm。在简单视图中，该+11dBm的Cpl（“耦合”）电压与反射电压Rfl（+11dBm）进行组合。由于电压基于它们的相对相位而可能被相加或相减，或者处于其间的某种状态，最坏的反射“功率”相当于+17dBm（相当于-4dB回波损耗），并且针对最佳情况，电压抵消并且可能存在零反射“功率”。出于示例的目的，假设右侧天线所辐射的功率等于向前功率（+21dBm）减去反射功率。在其中电压相加的情况中，仅有稍多于一半的功率被发送，并且在电压抵消时，所有向前功率被辐射。在某些方面，这一现象表现为随着波控（beam steering）相位控制算法调节相位的动态天线匹配调谐电路。

在现实中，左侧的发射器出现相同的效应，并且这意味着耦合的电压并不总是+11dBm而是取决于该发射器的耦合的信号相位对反射的角度系数而有时更小。

虽然这一示例已经用具体功率电平和具体假设进行描述以简化示例中的计算，应当理解的是该示例代表不与假设该示例发挥作用所具有的那些具体功率电平或者电路装置相关联的方法。本领域技术人员会直到如何使这一示例适合于不同的功率电平和不同的特定硬件。

图2中的曲线近似示出一个天线所出现的：曲线示出一个发射腿的TRP如何随着在两个发射天线之间调节相位而变化。这意味着0度的相位可能与对齐来自每个天线的辐射的信号的相位完全不同。图2示出三个级别的耦合的示例（-7dB、-10dB和-13dB），这些示例示出针对-7dB回波损耗（～2.5:1VSWR）的TRP。分开的水平线是如果一个天线正在辐射全部+21dBm并且另一发射器关闭而具有的TRP。其示出在来自VSWR的回波损耗是-7dB并且耦合是-10dB时的TRP。存在约一个dB的额外损耗。由于天线的反射系数和从一个天线被耦合至另一天线的信号所致的针对MTD的TRP的变化。利用这一现象以在导致最高可接受SAR的波控算法相位设定处提供减小的TRP。

图3描述了形成实现方式的典型波束。在这一实施例中，一个信号的电相位被调节、放大并且从一个天线（B）辐射。本质上与第一信号一致的第二信号被放大并且从第二天线(A)辐射。波控算法调节两个信号的相对电相位以在所希望的位置（例如基站）产生增强。这一实现方式示出影响信号特征的电路的各种部件。在这一示例中，可见对于要从B天线辐射的信号，它在它通过其相关联的传输线及其匹配电路和天线结构时经历相移来自天线B去往天线A的耦合的信号经受另一相移和一个由天线A及其匹配电路引入的进一步的相移此时，作为结果的信号将与信号组合，并且将取决于它们的相对相位而总体增大还是减小。在信号相加时，功率放大器PA_A与天线A之间的显示出的失配会增大，因而降低来自天线A的辐射功率。同样，在信号与反射信号相消地相加时，阻抗匹配会得以改善，并且来自天线A的辐射功率会有所增加。与上述过程相似的过程适用于从天线A被耦合至天线B的信号。这暗示了一种在面对高天线VSWR和高天线耦合时用于通过设计来控制发射功率并且由此控制SAR的机制。

在图4中示出了网络匹配电路的示例。出于这一示例的目的，假设有匹配于50欧姆电阻阻抗和具有通常为37欧姆的输入阻抗的四分之一波接地平面天线。

被选中的两个不同的匹配电路具有如下结果：

VSWR比PA近似为3:1以匹配天线之间6dB的耦合

如示图中所示的L-网络拓扑结构和入下表所示的两种配置，并且具有被选择用于在1MHz操作的部件。计算示出针对向前（Fwd,对PA而言）和反向（Rev，对天线而言）的预测的反射系数。可以如下来计算反射系数Γ和VSWR：

$\begin{array}{c}\mathrm{Fwd}:\mathrm{\Γ}=(\mathrm{Zs}-\mathrm{Zload})/(\mathrm{Zs}+\mathrm{Zload}),\mathrm{VSWR}=\frac{1+\left|\mathrm{\Γ}\right|}{1-\left|\mathrm{\Γ}\right|}\\ \mathrm{Zload}=Z1+Z2\left|\right|\mathrm{Zld}\end{array}$

其中Zs是PA的源阻抗，50欧姆

ZId是天线的输入阻抗，37欧姆

$\begin{array}{c}\mathrm{Rev}:\mathrm{\Γ}=(\mathrm{Zld}-\mathrm{Zload})/(\mathrm{Zld}+\mathrm{Zload}),\mathrm{VSWR}=\frac{1+\left|\mathrm{\Γ}\right|}{1-\left|\mathrm{\Γ}\right|}\\ \mathrm{Zload}=Z2\left|\right|Z1+\mathrm{Zs}\end{array}$

其中Zs是PA的源阻抗，50欧姆

ZId是天线的输入阻抗，37欧姆

表1–匹配电路示例

在此情景中术语匹配电路指代在功率放大器与该功率放大器向其馈送的天线之间插入的电路。这并不必要暗示被设计为将功率放大器及其天线之间的阻抗匹配降至最小的电路。虽然已经为这一示例提出了L-网络拓扑结构，但是对本领域技术人员显而易见的是可以采用其他匹配电路配置来实现相似或等同的结果。

图5和图6描绘了利用表1的值所进行的仿真，并且示出了来自一个天线的耦合的信号的相位在它通过另一天线的匹配电路朝着另一功率放大器行进时如何偏移。可见情况#1在信号在反向方向上行进穿过匹配电路时提供近似于60纳秒的延迟（22度的滞后），并且情况#2示出约-127纳秒的延迟或者约45度的领先。如果仅考虑对PA而言的匹配，并且假设A-天线和B-天线均以相同的相位进行辐射（以指出直接向前的波束），则反射信号与耦合的信号之间的差对于情况#1为94.6度-22度=72.6度，并且对于情况#2为-105+45度=-60度。这显示出，为了产生与PA的最坏情况匹配，矢量调制器设定在情况#1中可能需要为-72.6度，并且在匹配电路#2中可能需要为+60度。示例示出了两个不同的匹配网络，每个匹配网络产生近似于3:1的VSWR，这两个匹配网络在不同的A-B（矢量调制器）设定处产生较高的明显VSWR和较低的明显VSWR。

同样地，虽然这一示例已经用具体参数值进行描述，但是应当理解的是该示例代表不与假设该示例发挥作用所具有的那些具体功率电平或者电路装置相关联的方法。本领域技术人员会直到如何使这一示例适合于不同的参数值和不同的特定硬件。

如图7可见，TRP变化的量针对两个电路中的每个电路而有所不同，而不顾功率放大器与天线之间的匹配度相同的事实。另外，最大值和最小值出现所在的相对相位设定针对两个电路中的每个电路而略微有所不同。对于这些曲线，使得在反向方向上的耦合同匹配电路损耗相等。换言之，调节天线之间的耦合以对的电路#2针对在反向方向上朝着PA行进的信号具有额外的插入损耗的事实进行补偿。利用该结果以选择在产生最坏情况SAR（通常是A与B之间有180度相位差）的相位设定处最佳地减小TRP、并且在另一方向（相位差）上具有最少折衷的匹配电路。

图8和图9示出来自每个天线的辐射功率和总TRP如何随电相位偏移变化。示出了在来自一个天线的功率处于峰值时来自另一天线的功率减小。重要的是考虑创造功率增大的相位设定在+/-180度。这一相位是沿着两个天线之间的轴产生波束的相位。期望这一相位一般还会产生最高的SAR，这是因为该相位是来自天线中的一个的场由于该位置最接近于天线被最大化的点的位置。然而，对于小于1/2波长的天线间距而言，这一相位不会在波束指向算法中使用。可以使用图10以选择使最坏情况SAR最小化的匹配电路。假设最坏情况SAR处于图10的物理绘图上的点Za，则通过观察（inspection）而显而易见的是图8中所示的使用串联电感器的注入电路会是最佳选择，这是因为其示出针对在0度与180度之间的相位关系（A-B）而由天线B辐射的信号减小。注意天线B更接近于点Za。明显的是这一选择针对在-180度于0度之间的波束指向相位而将降低SAR，这是由于天线A TRP将会减小并且针对这些方向而言天线A具有按的距离。与之相反，通过选择如图9所示的匹配电路2，针对点Za和点Zb，SAR都会增大。

虽然已经在此举例说明并且描述了本发明的特征，但是本领域技术人员将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此要理解的是所附权利要求书旨在于覆盖落入本发明的真实精神的所有这样的修改和改变。

Claims (7)

1.一种受到比吸收率限制的移动传输分集设备，包括

多个天线，每个天线从由匹配电路调解的相应功率放大器接收信号，

其中所述匹配电路具有包括多个阻抗部件的网络拓扑结构，其中所述阻抗的值被选择以产生反射系数和电压驻波比值，所述反射系数和所述电压驻波比值产生恒定的平均总辐射功率而不超过所述比吸收率限制。

2.根据权利要求1所述的移动传输分集设备，其中所述网络拓扑结构是L拓扑结构，并且所述阻抗部件是电感式部件或电容式部件。

3.一种受到比吸收率限制的移动传输分集设备，包括

多个天线，每个天线从由匹配电路调解的相应功率放大器接收信号，

其中所述匹配电路具有包括多个阻抗部件的网络拓扑结构，其中所述阻抗的值被选择以产生反射系数和电压驻波比值并且其中所述网络拓扑结构被选择以产生如用所述电压驻波比值测量的高天线耦合并且产生更高的平均总辐射功率而不超过所述比吸收率限制。

4.根据权利要求3所述的移动传输分集设备，其中所述网络拓扑结构是L拓扑结构，并且阻抗部件是电感式部件或电容式部件。

5.根据权利要求1所述的移动传输分集设备，其中所述多个天线在彼此近场内的，每个天线从由所述匹配电路调解的所述相应功率放大器接收信号，所述匹配电路被选择为最小化最坏情况比吸收率值。

6.一种受到比吸收率限制的移动传输分集设备，包括

多个天线，每个天线从由匹配电路调解的相应功率放大器接收信号，

其中所述匹配电路具有包括多个阻抗部件的网络拓扑结构，其中所述阻抗的值被选择以产生反射系数和电压驻波比值，所述反射系数和所述电压驻波比值在由所述天线之间的耦合信号产生最坏情况比吸收率的相位设定处减少总辐射功率。

7.一种用于选择移动传输分集设备中的匹配电路的方法，所述移动传输分集设备具有多个天线，每个天线从由匹配电路调解的相应功率放大器接收信号，所述方法包括：

确定比吸收率达到其最高值所在的点，并且如果所述最高值超过预先设定的比吸收率阈值，则

通过选择所述天线之间的相位差向所述点发送所述天线辐射图案的干涉最大值，并且

调节所述匹配电路以减小总辐射功率，使得比吸收率在预先设定的比吸收率阈值之下，

其中所述匹配电路具有包括多个阻抗部件的网络拓扑结构，其中所述阻抗的值被选择以产生反射系数和电压驻波比值，所述反射系数和所述电压驻波比值在由所述天线之间的耦合信号产生最坏情况比吸收率的相位设定处减少总辐射功率。