CN103716064B - 一种天线电路及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一个天线电路，其包括一阻抗电路，用于抵消从单向耦合器输入端口到隔离端口的信号泄漏。该天线电路还包括第二阻抗电路，用于优化从单向耦合器输入端口到输出端口的功率传输。此外，该天线是可调的，用以最大限度地提高天线的接收强度。该天线电路可以立刻提供以下功能：优化功率传输，通过抵消信号泄漏而降低信号在输出端口反射所引起的自身干扰。该天线可用作为一个有效的、小型的RFID天线。

Description

一种天线电路及其优化方法

【技术领域】

本发明涉及可调天线，特别涉及用于手持、便携式设备如手机的可调的RFID（射频识别）天线。

【背景技术】

尽管RFID技术的使用几乎无处不在，但是其购买、实施和使用接入都限于整个专有系统的买家及其允许的用户。实施RFID系统的公司通常是那些有大量物理对象需要监控的机构，如仓库、图书馆、百货公司等。在这些场所实施的RFID系统并不能由任意市民使用，来寻找RFID标记物体，因为该市民需要一个合适的RFID检测器，而且还需要一个数据库来确定被RFID检测到的物体。这会导致这些场所的管理成本急剧上升，因为需要人力资源来帮助市民寻找标记物体，从而带来极大的不便。

手持移动通信设备如手机的使用已成指数增长，同时RFID系统的使用也迅速增长。然而，这两个行业的增长实际上是独立的且互不相关的。尽管这两个市场和技术发展已日趋成熟，但是手机还不能预先安装成RFID检测器来使用。同样，RFID系统通常也没有设计成允许任何市民使用他的手机作为RFID检测器。

造成这两种技术之间的相互独立可能有几个制约因素，其中之一是所需天线的尺寸大小，需要在合理距离上有足够强的RFID信号发送和接收。手持移动通信设备的尺寸大小往往适合放在用户裤兜里或正好适合放入用户手掌。因此，这样的设备没有足够的空间去安装体积相对较大而有效的RFID天线。不能使用小天线，因为小尺寸天线有较差的信号隔离，经常受到信号干扰，由于用户的“体效应”还会受到不良的天线阻抗变化。体效应就是当一个物体靠近天线时会产生足够大的天线阻抗变化，从而影响天线接收信号的效率。

因此，期望能有这样的装置和方法，它们能将RFID天线实施在手持移动通信设备里。

【发明概述】

本发明的第一方面是，提出了一种天线电路，它包括：一个单向耦合器（其有一个输入端口、隔离端口和一个输出端口）、第一阻抗电路（其连接所述输出端口和一个天线），所述第一阻抗电路是可调的，其有第一初始化调谐，以提供一个初始化阻抗，从而将信号从输出端口反射回输出端口，基本上抵消了从输入端口到隔离端口的信号泄漏，其中所述第一阻抗电路是从初始化调谐开始调整阻抗，以抵消在第一初始化阻抗未能抵消的信号。

“天线电路”这个术语，本领域技术人员知道它在这里并不是仅仅指天线本身，它还包括所附的全部或部分电路，用以改善、改变或控制往来天线的信号发送和接收。

在一个环境中，由RFID标签反射的RFID信号往往是幅值非常小。当从输入端口到隔离端口的信号泄漏大到足以掩盖任何从RFID标签反射的信号时，就引起了信号干扰。本发明在输出端口反射一个具有合适幅值和相位的发送信号，以抵消在隔离端口的信号泄漏，从而抑制信号干扰，并提供了良好的发送和接收信号的分离。

降低泄漏信号，使得天线可以很小，同时具有相对较大天线的效率。因此，本发明还提供了一个手掌大小手机可以安装一个小天线的可能性，因此手机可以用来作为一个RFID检测器，它可以有一个合理长的读取距离，而不会影响手机的尺寸大小。

优选地，第一初始化阻抗是根据单向耦合器的特性来确定的，以提供一个反射系数：

${\mathrm{\Γ}}_A=\frac{-I}{\mathrm{CT}}$

其中，

Γ_A是输出端口2和第一阻抗电路之间的反射系数；

T是指从输入端口到输出端口的插入损耗；

C是指输入端口和耦合端口之间的耦合因子；

I是指输入端口到隔离端口之间的隔离度。

I、C和T的数值是每个单向耦合器的特性，由单向耦合器生产商提供，或者可以通过测试和分析单向耦合器轻易地得到。这些数值可以用来计算有多少泄漏信号从输入端口流到隔离端口。

因此，可以这样确定阻抗，该阻抗提供了一个反射系数，其能反射一个具有合适幅度和相位的信号，用于完全地或可能部分地抵消泄漏。

第一初始化调谐通常包括第一阻抗电路中可变元件的一组设定或数值，它们被保存在一个天线电路可访问到的存储器中，它们可以被加载到可变元件中。存储器可以是EEPROM、可移动记忆棒，甚至是可以无线或远程访问的远程存储器。或者，可调元件也有可能在物理上预设为第一初始化设置，如通过设置标志。

优选地，天线电路还包括控制器，其能编程以从第一初始化调谐开始调整第一阻抗电路，以优化抵消在第一次初始化阻抗未能抵消的信号。

该控制器可以是一个微控制器、处理器，或者甚至是一个远程计算设备，用于控制所述天线电路。通过“编程”，本领域技术人员将理解，控制器可以以程序、软件、固件或任何微控制器来运行，以指导控制器执行任务。

当天线受到外部影响如体效应，天线的阻抗就会发生变化，从而影响天线和第一阻抗电路的组合阻抗和整体阻抗。这会改变反射到输出端口的发送信号量。任何不充分的泄漏信号抵消都能在隔离端口上检测到。然后对第一阻抗电路进行微调，增加或减少阻抗，以重新优化信号抵消。重新优化抵消可能会在一个新的阻抗上实现，所述新的阻抗是在初始化阻抗的附近。因此，从初始化阻抗开始微调第一阻抗电路，可以不需要遍历整个阻抗范围。初始化阻抗可以递增或递减地进行微调，根据情况需要来定。

优选地，所述天线电路包括一个第二阻抗电路，其连接输入端口和电源输出端口，第二阻抗电路是可调的，并有第二初始化调谐，以提供第二初始化阻抗去匹配输入端口的阻抗，其中第二阻抗电路是从第二初始化调谐开始，来调整阻抗，以匹配输入端口上阻抗的变化。

由于天线附近存在物体而导致天线阻抗负载的任何变化，可能会造成天线、第一阻抗电路、单向耦合器的整个组合阻抗的变化。重新匹配第二阻抗电路的阻抗和输入端口的阻抗变化，将重新优化到输入端口的信号传输。

通常，第二初始化阻抗是根据单向耦合器的特性来确定的，提供一个反射系数：

其中*表示共轭；Γ_PA是输入端口和第二阻抗电路之间的反射系数。

至于第二阻抗电路，初始化调谐设定通常包括一组设置或数值，它们被保存在天线电路可访问的存储器中，它们可以被加载到第二阻抗电路中的可变或可调元件上。存储器可以是EEPROM、可移动记忆棒，甚至是可无线或远程访问的远程存储器。但是，元件也有可能在物理上预设初始化设置。

优选地，还可以编程同一控制器或另一个控制器，从第二初始化调谐开始，来调整第二阻抗电路，最优地匹配输入端口上的阻抗变化。

在输入端口上阻抗变化的重新匹配可能会在一个新的阻抗上实现，所述新的阻抗在初始化阻抗的附近。因此，从初始化阻抗开始微调第二阻抗电路，可以不需要遍历整个阻抗范围来重新优化天线电路。可以递增或递减地微调初始化阻抗，根据具体情况需要来确定。

可选地，天线本身也是可调的，从而可以优化天线用于信号发送和接收。

优选地，天线电路可以访问包含至少一组预定天线优化值的存储器。访问可以包括无线访问远程存储器，和直接访问一个物理连接存储器。所述至少一组预定优化值，可以在工厂里根据模拟真实使用情况来设置，如通过放置天线一个手持设备中，该手持设备搁在一个人的手掌中，该手持设备在自由空间中，该手持设备在一个桌子后面，等等。可以从手持设备最有可能出现的情况中选择模拟。

本发明的第二方面是，提出了一种手持通信设备，其包括：一个RFID天线电路，它有一个单向耦合器（其有一个输入端口、一个输出端口和一个隔离端口），一个阻抗负载连接到输出端口，其中所述阻抗负载提供了一个阻抗，用以将信号输出从输出端口反射回到输出端口，基本上抵消了从输入端口到隔离端口的信号泄漏。这方面的实施例仅解决因隔离端口上大幅度信号泄漏而引起的信号干扰。

本发明的第三方面是，提出了一种手持式通信装置，其包括：一个RFID天线电路，它有一个单向耦合器（其有一个输入端口、一个输出端口和一个隔离端口），一个阻抗负载连接电源输出端口和所述输入端口，其中所述阻抗负载提供一个阻抗去匹配所述输入端口的阻抗，用以优化从阻抗负载到所述输入端口的功率传输。这方面的实施例仅解决由于电源和输入端口之间的阻抗不匹配而引起的到输入端口的不良信号传输。

手持通信设备可以是手机、个人数字助理（PDA）、笔记本电脑、平板电脑如iPad等，天线被用于检测RFID标签物体。通常情况下，手持通信设备就是手机。因此，现在可以使用手机下载仓库或百货商场提供的RFID标签库，并使用手机内的RFID天线电路去检测仓库或百货商场内的RFID标签物体，而不需要从仓库或百货商场的人员处获得帮助。

本发明的第四方面是，提出了一种RFID天线电路，它有一个单向耦合器（其有一个输入端口、一个输出端口和一个隔离端口），一个阻抗负载连接一个电源输出端口和所述输入端口，其中所述阻抗负载提供一个阻抗去匹配所述输入端口的阻抗，用以优化从阻抗负载到所述输入端口的功率传输。

因此，单向耦合器可以和阻抗负载单独制备和销售，以在单向耦合器的输出端口上提供一个信号反射系数，抵消任何从输入端口到隔离端口的泄漏，而不需要一个预安装的天线。在使用中，到隔离端口的信号泄漏最好是完全抵消，虽然这并不一定是必须的，因为天线的阻抗变化会影响信号抵消的量。即使阻抗负载根据单向耦合器的I、C和T提供一个固定的、不可调的阻抗，在一般情况下单向耦合器的性能仍能得到改善，因为理论上到隔离端口的信号泄漏量大部分或基本上被抵消。提供固定的、不可调阻抗的缺点是，单向耦合器不能处理，因为天线的阻抗变化而引起需要抵消的泄漏信号的量的变化。

本发明的第五方面是，提出了一个单向耦合器电路，其包括：一个单向耦合器（其有一个输入端口、一个输出端口、一个隔离端口），一个阻抗负载连接到所述输出端口，所述阻抗负载提供一个阻抗，用以将输出端口的信号输出反射回到输出端口，抵消从输入端口到隔离端口的信号泄漏。

阻抗负载可以是一个具有固定阻抗不可调的电路，虽然最好是一个可调电路。即使基于单向耦合器的I、C和T，阻抗负载提供一个固定的、不可调的阻抗，一般情况下单向耦合器的性能也将得到改善，因为理论上到隔离端口的信号泄漏量大部分或基本上被抵消。提供固定的、不可调阻抗的缺点是，单向耦合器不能处理由于天线阻抗改变而引起的泄漏信号抵消的恶化。

本发明的第六方面是，提出了一个单向耦合器，其有一个输入端口、一个输出端口和一个隔离端口；一个阻抗负载连接到所述输入端口；所述阻抗负载连接到一个电源输出端口；其中所述阻抗负载提供一个阻抗去匹配所述输入端口的阻抗，用以优化从电源输出端口到所述输入端口的功率传输。

阻抗负载可以是一个具有固定阻抗的不可调电路，虽然最好是一个可调电路。即使基于单向耦合器的I、C和T，阻抗负载提供一个固定的、不可调阻抗，一般情况下单向耦合器的性能也将得到改善，因为理论上到输入端口的信号传输大部分或大致上被优化。提供固定的、不可调阻抗的缺点是，单向耦合器不能处理由于天线阻抗变化而引起的信号传输的恶化。

本发明的第七方面是，提出了一种优化天线电路的方法，包括以下步骤：提供一个单向耦合器，其有一个输入端口、输出端口和隔离端口，所述输出端口用于馈送信号到天线；在所述单向耦合器的输出端口上提供一个第一阻抗负载，用以将至少一部分信号输出从所述输出端口反射回所述输出端口，以抵消从输入端口到隔离端口的信号泄漏。

在这种情况下，第一阻抗负载可以是可调的或不可调的。但是，第一阻抗负载最好是可调的，其有第一初始化阻抗；所述方法还包括步骤：从第一初始化阻抗开始，调整第一阻抗负载的阻抗，以抵消在第一次初始化阻抗未能抵消的信号。

因此，如果控制器检测到泄漏抵消可能出现恶化，例如因为用户的体效应，那么在输出端口上的阻抗就被重新调整，从第一初始化阻抗开始，以优化泄漏抵消。本发明提供了比遍历整个阻抗范围更快地优化速度，因为重新调整的阻抗很可能就在第一初始化阻抗附近。

通常情况下，第一初始化阻抗是由单向耦合器的特性来确定的，根据以下等式而提供一个反射系数：

${\mathrm{\Γ}}_A=\frac{-I}{\mathrm{CT}}$

其中，

Γ_A是输出端口和第一阻抗电路之间的反射系数；

T是从输入端口到输出端口的插入损耗；

C是输入端口和耦合端口之间的耦合因子；

I是输入端口和隔离端口之间的隔离度。

优选地，所述优化天线电路方法还包括以下步骤：提供一个第二阻抗负载，其有一阻抗，基本上匹配输入端口的阻抗。

优选地，所述第二阻抗负载是可调的，并具有第二初始化阻抗，所述方法还包括步骤：从所述第二初始化阻抗开始，调整第二阻抗负载的阻抗，去匹配输入端口上的阻抗变化。换句话说，该方法还包括以下步骤：从第二初始化阻抗开始，调整第二阻抗负载的阻抗，以优化功率从阻抗负载到输入端口的功率传输。

因此，如果控制器检测到最佳信号传输可能出现恶化，它就可以比遍历整个可能的阻抗范围更快地从第二初始化阻抗开始重新调整或重新优化。

通常，第二初始化阻抗是由单向耦合器的特性来确定的，根据以下等式提供一个反射系数：

其中，*表示共轭；

Γ_PA是输入端口和第二阻抗负载之间的反射系数。

优选地，该天线是一个可调天线，所述方法还包括：为所述可调天线里的至少一个可调元件设置一个初始化数值；从所述初始化数值开始，调整所述可调天线里的至少一个可调元件，以获得最佳的RFID信号接收。因此，当控制器检测到可调天线上RFID信号接收的恶化，可以首先将天线重置到初始化数值，然后调整第一阻抗电路和第二阻抗电路以重新优化。

优选地，所述方法还包括：为所述可调天线里的至少一个可调元件，从多个预定的初始化数值中选择一个初始化数值。所述多个预定的初始化数值可以是为几个常见情况而确定，所述常见情况是指可调天线常常出现的环境。例如，包含有所述可调天线的设备放置在自由空间中、搁在一个人的手掌中、由人的手指拿住或放在桌子后面。具有多个初始化数值，可以让天线跳跃地调整这些初始化值，从一个初始化数值跳到另一个初始化数值。一旦从这多个预定的初始化数值中找到或选中那个能提供最佳天线接收的初始化数值时，那么控制器就从选中的初始化数值开始扫描或微调可变元件的数值。这会更加优化天线接收。控制器可以递增或递减地微调可变元件的数值，这根据需要而定。

【附图说明】

现在将参考以下附图来描述本发明非限制性的、示例性实施例，其中相同的参考编号指的是相同部件，其中

图1显示一个RFID天线电路；

图2是图1RFID天线电路中使用的单向耦合器的示意图；

图3是图1RFID天线电路的一个变形；

图4显示图3的变形是如何影响图2RFID天线电路的发送路径和接收路径之间的信号隔离；

图5显示图1RFID天线电路的另一个变形；

图6显示图1RFID天线电路的又一个变形；

图7显示图6天线电路中使用的天线；

图8是图6天线电路中使用的一个查找表；

图9显示一个手机，它可以包含图3、5或6中的天线；

图10显示调整图3RFID天线电路中可变元件的效果；

图11显示调整图3RFID天线电路中可变元件的另一个效果；

图12显示调整图3RFID天线电路中可变元件的又一个效果；

图13显示调整图3RFID天线电路中可变元件的又一个效果；

图14显示图5的RFID天线电路的一个变化；

图15显示图5的RFID天线电路的又一个变化；

图16显示可用于图3的RFID天线电路中的一个阻抗电路的变化；

图17显示可用在图3的RFID天线电路中的一个阻抗电路的变化。

【发明详述】

图1显示RFID天线电路100包括天线101，用于发送探测信号到周围的环境中。任何附近的RFID标签将反射信号回到天线101用于识别。天线101连接到单向耦合器103，用以隔离天线发出的探测信号和天线接收到的反射信号。

图2显示典型的单向耦合器103包括端口1（103a）、端口2（103b）、端口3（103c）和端口4（103d）。

端口1被称为输入端口，连接到电源。通常情况下，信号是从功率放大器105而送入端口1的。

端口2被称为输出端口，连接到天线101。来自单向耦合器103的信号从端口2传输到天线101用于广播发送。

端口3被称为隔离端口。基本上，单向耦合器103允许信号双向传输。在一个方向上，信号直接从端口1传输到端口2，然后经由天线101广播到周围的环境中。在第二方向上，任何由周围RFID标签反射的信号由天线101接收，并被传输到端口2，然后耦合到端口3。因此，接收器107设置在端口3，以接收和处理信号，识别确定反射的RFID标签。

端口4被称为的耦合端口，该端口连接一个50欧姆的负载电阻。

在理想情况下，信号从端口1到端口2的传输是百分之百的传输。然而实际上，传输是小于百分之百的，因为除其他损耗，有一些信号会从端口1泄漏到端口3。端口1和端口2之间的信号损耗就称为插入损耗。

由RFID标签反射回天线101的信号可能是相当弱的。为了能检测到这些反射信号，从端口1泄漏到端口3的信号应该要非常小或几乎不存在。遗憾的是，泄漏往往比较大，并且还超过较弱的反射信号。这将导致在单向耦合器103上的信号干扰。

图3显示将图1中的电路修改成，在端口2和天线101之间包括一个第一阻抗电路301，以及还有一个控制器303用于微调第一阻抗电路301的可变元件。

第一阻抗电路301最好是一个π型电路，其由并联的电容器和电感器（LC）组成，但串联在端口2和天线101之间。两个并联的电容器放置在LC的两端上。

第一阻抗电路301可以进行调节，以在端口2和天线101之间提供所希望的阻抗失配，例如，在端口2上的进入信号，要传输到天线101的信号，被部分地反射并耦合到端口3。这一策略完全不同于常规做法，常规做法是倾向将完全的信号从端口2传输到天线101。将阻抗设定为使得反射信号的幅值和相位能匹配从端口1泄漏到端口3的信号，从而抵消泄漏。以这种方式，就可能减少或消除干扰，以提供最大的发送和接收信号“隔离”。

从理论上讲，一个理想的、无限的隔离和完全匹配的、对称的单向耦合器103的散射矩阵或S-矩阵由下式给出

$S=\left[\begin{array}{cccc}0& \mathrm{\τ}& \mathrm{\κ}& 0\\ \mathrm{\τ}& 0& 0& \mathrm{\κ}\\ \mathrm{\κ}& 0& 0& \mathrm{\τ}\\ 0& \mathrm{\κ}& \mathrm{\τ}& 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

这样一个理想的单向耦合器103从端口1完全地传输信号到端口2。从左上角到右下角的主对角线上的零代表完美匹配，输入到任何端口的信号没有被反射回同一端口。矩阵反对角线上的零表示端口1和3之间的完美隔离。然而，由公式（1）表示的完美隔离并不存在，因为有其他缺陷，信号会泄漏到端口3。

下面的矩阵显示实施中耦合器103所有端口之间的实际关系。

$\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ b_3\\ b_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}0& T& I& C\\ T& 0& C& I\\ I& C& 0& T\\ C& I& T& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\\ a_4\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，

a₁、a₂、a₃和a₄是在端口1、2、3和4上的输入或反射信号；

b₁、b₂、b₃和b₄是在端口1、2、3和4上的输出或进入信号；

T是指从端口1到端口2传输过程中的插入损耗；

C是指端口1和端口4之间的耦合因子；

I是指从端口1到端口3的隔离度。

I、C、T是复数，它们的值由单向耦合器103的制造商提供。

为了矩阵的完整，端口4连接50欧姆的电阻，所以该端口没有信号输入，因此

a₄=0-----------------------------------(3)

由于端口2连接到第一阻抗电路301，从第一阻抗电路301反射回端口2的进入信号是

a₂=Γ_Ab₂-----------------------------------(4)

其中，Γ_A是端口2和第一阻抗电路301之间的反射系数；b₂是在端口2上的输出信号。

下面是交变信号的反射系数的一般定义：

$\mathrm{\Γ}=\frac{Z_L-Z_S}{Z_L+Z_S}---\left(5\right)$

其中，Z_S是源阻抗；Z_L是负载阻抗。

因此，当下式成立时就得到最小反射：

Z_S=Z_L-----------------------------------(6)

基于此，可以看出，通过提供合适的负载和源之间的阻抗不匹配，可以控制信号的反射量。

将条件式（3）和（4）代入式（2），并简化，得到下面：

$\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}^2{\mathrm{\Γ}}_A& I+{\mathrm{CT\Γ}}_A\\ I+{\mathrm{CT\Γ}}_A& C^2{\mathrm{\Γ}}_A\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_1\\ a_3\end{array}\right)---\left(7\right)$

此外，端口1和3之间的最大隔离也可以表示如下：

$S_{31}=\frac{b_3}{a_1}=0---\left(8\right)$

因此，下面的公式显示I、C、T和反射系数Γ_A之间的关系，

如果在发送和接收信号之间有最大隔离。

I+CTΓ_A＝0-----------------------------------(9)

将公式(9)反推，得到

${\mathrm{\Γ}}_A=\frac{-I}{\mathrm{CT}}---\left(10\right)$

因此，如上所述，如果第一阻抗电路301被调谐到提供一个反射系数Γ_A的阻抗，那么从端口2传输出来的信号可以以一个合适的幅值和相位部分地被反射，来抵消到端口3的泄漏。

第一阻抗电路301设置提供的阻抗，其Γ_A被保存为默认值或初始化设置在存储器中（图中未示出），其能被天线电路访问。

使用第一阻抗电路301抵消泄漏到端口3的信号，这改善了周围RFID标签反射信号的检测，并提高了发送和接收信号的隔离。同时，这使得天线101的所需电路可以很小并可以实施在手持设备中。因此，天线101可以设置在手机、手表、笔记本电脑、如iPad等的平板电脑中。因此，现在这些便携式设备可以用于检测在任何零售店或仓库里的有RFID标签的物体。例如，用户可以使用他的手机，下载不同的零售商的应用程序，每个应用程序都包含有该零售商提供的所有贴有RFID标签的物体或其位置。然后手机调用一个合适的软件来使用RFID天线去定位物体在零售店里的位置。使用RFID还可以搜索寻找其他东西，如建筑物内的餐厅、图书馆里的书籍，甚至是在一个大场所内的工作人员如保安。

在使用时，当由于外部因素例如使用者的“体效应”而造成天线101上的阻抗发生变化时，在输出端口2的阻抗发生变化，从而改变在端口2反射信号的范围。这样一来，到端口3的功率泄漏将不再被第一阻抗电路301反射到端口2的传输信号量完全抵消。结果是，第一阻抗电路301要进行微调，重新优化抵消泄漏到端口3的信号。

和周围RFID标签反射的并由天线101接收的信号幅值相比，泄漏到端口3的功率通常有非常高的幅值。例如，功率泄漏可高达-20dB，而反射的RFID信号可低至-40dB。因此，一个功率检测器305设置在端口3上以监测泄漏到端口3的功率。如果功率检测器305检测到端口3上的功率远低于-20dB的或非常接近估计的-40dB，那么就假定接收信号和发送信号的隔离非常有效。另一方面，如果功率检测器检测的功率高于估计的-40dB，控制器303将假设有大量的未抵消的从端口1到端口3的泄漏。

如果认为有大量的未抵消的从端口1到端口3的泄漏，那么控制器303就微调阻抗电路301，改变第一阻抗电路301的阻抗，直到到端口3的功率泄漏不再被检测到或已经最小化。

微调得到的调整阻抗并不是基于理论计算，而是基于控制器303对功率检测器305反馈的反应。但是，微调从阻抗电路301的初始化设置开始，计算提供理论上的Γ_A。这是因为调整阻抗不可能过分偏离计算出提供Γ_A的阻抗。因此，就没有必要遍历第一阻抗电路的整个可能的阻抗范围，以找出最佳阻抗抵消信号泄漏。

在实践中，控制器303可根据情况递增或递减地微调第一阻抗电路301的阻抗，直到检测到的泄漏已降低到一个可接受的水平或检测不出的水平。

图4显示另一个阻抗电路的效果，该电路类似于前述的阻抗电路301。图4的阻抗电路也是一个π型电路，但是没有电容器与电感并联。图4显示阻抗电路是一个π型可调电路，显示如何调整并联电容器，以调整发送路径和接收路径之间的共振隔离（resonanceofisolation）。调谐电感器，就能调整发送路径和接收路径之间的隔离衰减幅度（attenuationmagnitudeofisolation）。

图5显示另一个实施例，在功率放大器105和端口1之间还包括一个第二阻抗电路401。根据公式（5），我们知道，对于最大功率传输，负载的电抗和源的电抗必须是相等的，但符号相反。

$Z_S=Z_L^{*}---\left(11\right)$

因此，对于从功率放大器105到端口1的最大功率传输，功率放大器105的阻抗应该匹配端口1的阻抗，但相位相反。因此，在功率放大器105和端口1之间提供第二阻抗电路401，以调整馈送到端口1的总阻抗负载（totalimpedanceload）。

第二个输入电路401被调谐到一个初始化或默认的阻抗，该初始化或默认的阻抗是根据耦合器103的I、T和C而计算得到的。最初的阻抗应该匹配端口1的阻抗，以在端口1的连接处提供以下反射系数。

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{PA}}={\left(\frac{-\mathrm{IT}}{C}\right)}^{*}---\left(12\right)$

Γ_PA和Γ_A之间的关系如下：

Γ_PA＝(T²Γ_A)^*-----------------------------------(13)

此外，对于完全的信号传输到端口1，在端口1的入射和反射信号之间的关系如下：

${{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{PA}}}^{*}=S_{11}=\frac{b_1}{a_1}---\left(14\right)$

因此，Γ_PA是第二阻抗电路401中可变元件的初始设置。此初始设定被保存为默认值或初始化设置在存储器中（图中未示出），其可被天线电路访问。

在使用时，由于外部因素如体效应，天线101上的阻抗的变化，会导致端口2上的整个阻抗负载也发生变化。结果是，端口1上的阻抗也将改变，不再与第二阻抗电路401的阻抗相匹配。这减少了到端口1的功率传输效率。

另一个功率检测器403监控端口4的功率。这是因为通过监控端口4可以检测到端口1的功率。而且，这个功率检测器403并不连接到端口1，因为功率检测器403会影响端口1的阻抗。

如果功率检测器403检测到端口4上的功率有变化，或者端口4上的功率不是最佳的，那么就触发控制器303，微调第二阻抗电路401，重新最大化从第二阻抗电路401的输出到端口1的输入的功率传输。

根据情况，控制器303可以递增或递减地微调第二阻抗电路401的阻抗，直到端口4上检测到的功率被认为是优化的。这种微调不是基于计算的，而是基于对端口4上检测功率的反应，实际上是对于端口1上的阻抗变化，重新匹配阻抗电路401的阻抗。

重新优化的到端口1的功率传输，很可能会是一个新的阻抗，其靠近第二阻抗电路401初始化阻抗。因此，从初始化阻抗开始微调第二阻抗电路401，就不需要遍历整个阻抗范围。

在现实中，功率放大器105的固有阻抗，会加入第二阻抗电路401的阻抗，可以通过理论计算得到。结果是，功率放大器105和第二阻抗电路401的组合阻抗会使得进入输入端口的实际反射系数稍微偏离理论值Γ_PA。但是，这种偏差是微小的，因为微调是基于性能来进行的。通过监控和优化在端口4检测到的功率，当控制器从初始化阻抗开始微调第二阻抗电路401时，功率放大器105的固有阻抗将会被“调谐走”。

在实践中，使用第二阻抗电路401去匹配功率放大器的输出阻抗和端口1的输入阻抗，等同于最大化功率放大器105到天线的功率传输，因为功率放大器和第二调谐电路401可以被看作是一个单一的和全部的阻抗负载。但是，为清楚起见，在某些情况下可以描述成，信号传输优化是从第二阻抗电路401的输出到端口1的输入，而不是从功率放大器105到端口1。

因此，到目前为止所描述的实施例包括第一阻抗电路301，以在端口2提供第一初始化阻抗，从而允许一定量的信号反射来抵消在端口3的泄漏信号。此外，为了优化从电源到端口1的信号传输，第二阻抗电路401提供第二初始化阻抗以匹配端口1处的阻抗。根据单向耦合器103的I、C和T特性，可以理论上计算得到第一和第二初始化阻抗。第一阻抗电路301或第二阻抗电路401从初始化阻抗开始的微调阻抗，能够快速达到重新优化。

图6显示又一个实施例，其中实际天线101本身是可调谐的。图7是该可调谐天线线圈101的示意图，有电容器c1、c2、c3和c4。这些电容都是可调的，以调整天线负载阻抗。

为了确定这些电容器的初始化值，而使得天线101具有最佳的接收和发送，安装有该天线101的手持式设备的信号接收，将在自由空间内被优化。在自由空间内是指手持式设备所处的地方没有物体在附近干扰或阻止信号发送和接收。调谐天线101的电容器，直到功率检测器305、403检测到最大的信号发送和接收，该电容器的数值被存储在手持设备的存储器中（图中未示出），作为默认值或初始化的电容值。

含有天线电路100的手持设备在工厂内的优化步骤按下列顺序进行。首先会计算Γ_A和Γ_PA。随后，调整阻抗电路301和第二阻抗电路401，在端口2的输出处提供Γ_A，并在端口1的输入提供Γ_PA。当已经调整了阻抗电路301、401，那么天线101本身在自由空间中就进行了优化。然后，已经获得的阻抗电路301、第二阻抗电路401和天线101所有可变元件的数值就在存储器中存储为默认值，该存储器可由手持设备访问，例如存储器就安装在手持设备内。当手持设备在使用中时，因为周围的变化，天线组件的调谐已经改变或天线的阻抗已经改变，可能会检测到端口4上的功率要小于最佳值或者检测到端口3上有未抵消的泄漏量。为了将天线电路100返回到最佳性能，控制器303首先将天线101内的可变元件重新设置到它们的缺省值，重新优化天线101的信号接收。天线的重新优化是相对地“粗调”。随后，控制器303对天线电路100进行微调，也就是，控制器303从初始化值开始调谐第二阻抗电路401，提供Γ_PA的阻抗。当端口4上检测到的功率被认为要重新优化时，然后控制器303从初始化值开始调整第一阻抗电路301，提供Γ_A的阻抗。当端口3上检测到的信号泄漏被认为完全或充分地抵消后，重新优化过程就完成了。由于是从各自的初始化设置开始重新调谐天线、第二阻抗电路和第一阻抗电路，所以天线电路100可以快速地重新优化，尽管外部负载改变了天线101的阻抗。

本实施例可以有进一步变化，天线101可变元件的默认或初始值的各种设定是在工厂里确定的。除了自由空间，天线101可变元件可以在不同的普通情况下进行优化，如当含有天线101的手持设备面对一张桌子时，或搁在一个人的手掌里时，或仅仅由用户手指拿住时。对于上述每一种情况，天线101可变元件的最佳值都存储在一个查找表中。图8显示查找表的一个例子。

当手持设备正在使用中，且控制器303检测到天线电路100的性能不是最佳时，控制器303就首先跳跃地调谐天线101的可变元件，依次运用查找表中不同情况的初始可变元件值组合。使功率检测器305上有最强读数的那组（可调天线101的）初始设定被选中，保持为天线101可变元件的当前调谐。最好是不需要微调或调整天线101的可变元件，以节省时间。进一步的优化是通过微调第二阻抗电路401、然后微调第一阻抗电路301来完成的。以这种方式中，对于会影响天线101接收并影响单向耦合器103信号传输和信号隔离的不同物理情况下，手持设备可以快速地优化。

图9显示手机901与RFID标签903之间的通信。所述天线电路100如果安装在该手机中，是不可能需要太多的空间，也不可能改变手机外型，同时能提供足够强的或敏感的RFID信号接收。

图10到图13表明在自由空间中可以实现低于-40dB的发送和接收路径之间的隔离。在图10中，阻抗电路301的电感器被调谐到19nH，电容器被调谐到4pF。图10到图13中的“m1”是RFID读写器的工作频率。

图11显示手持设备置于桌子后面时发送和接收路径之间的隔离。电感器被调谐到22nH，电容器被调谐到3.6pF。

图12显示手持设备置于手掌中时发送和接收路径之间的隔离。电感器被调谐到24nH，电容器被调谐到3pF。

图13显示手持设备由手指拿住时的发送和接收路径之间的隔离。电感器被调谐到27nH，电容器被调谐到2.6pF。

因此，描述的天线电路100包括一个单向耦合器103（其有一个输入端口103a、一个输出端口103b和一个隔离端口103c）、天线101、连接到输出端口103b的第一阻抗电路301，其中第一阻抗电路适用于提供一个阻抗，用以将输出端口103b的信号输出反射回到输出端口103b。而且，反射信号能够抵消从输入端口103a到隔离端口103c的信号泄漏。

此外，描述的天线电路100包括第二阻抗电路401，第二阻抗电路401连接电源105和输入端口103a，第二阻抗电路401适用于提供一个阻抗，用以优化从电源到输入端口103a的功率传输。

此外，也已经描述了优化天线电路100的方法，该方法包括以下步骤：提供一个单向耦合器103，其适用于发送信号到天线101，单向耦合器103有输入端口103a、输出端口103b和隔离端口103c，隔离端口103c有一个来自输入端口103a的信号泄漏；在输出端口103b上设置一个初始化阻抗，以将输出端口103b上的一部分信号输出反射到隔离端口103c，从而抵消信号泄漏。优选地，所述方法还包括：在单向耦合器103的输入端口103a上设置一个初始化阻抗，用以优化从电源105输出端口到输入端口103a的功率传输。优选地，天线101是可调天线，所述方法还包括一个步骤：在可调天线101的至少一个可调分量中，设置一个初始化值。

关于“天线电路”这个术语，本领域技术人员都知道它不仅是指一个天线本身，而且还包括所附电路，用于改善、改变或控制往来天线的信号发送和接收。

在更简单的实施例中，第一阻抗电路301可以被任何能提供一个合适阻抗的电路取代，所述合适阻抗的设置是基于到隔离端口的信号泄漏特征。该电路可以是非可调的、提供一个固定阻抗的。在这种情况下，到隔离端口的信号泄漏也没必要是百分之百或完全抵消，只要有一些泄漏信号被抵消，而改善隔离端口上接收信号的隔离。类似地，第二阻抗电路401也可以被任何能提供一个合适阻抗的电路取代，所述合适阻抗的设置是为了改善从电源到输入端口的信号传输，是基于单向耦合器特征的。该电路可以是非可调的、提供一个固定阻抗的。在这种情况下，从输入端口到隔离端口的信号传输没必要是百分之百的，只要传输有改善就行。

已经描述了存储器（未示出）在天线电路里。提供的存储器可以是现有技术里常用的存储器，本领域技术人员可以认为该存储器是EEPROM、可移动记忆棒或者甚至是可以无线或远程访问的远程存储器。但是，在某些情况下，这些分量也有可能是物理预设的初始化设置，如通过开关、标志等。

虽然功率放大器被描述为提供功率到端口1或到输入端口103a，但是也可能是从一个电源得到功率，而不是从一个功率放大器，例如从一个晶体管或一个功率源。在某些情况下，天线电路可以以整体制作和销售，不带功率放大器105，这取决于将端口1连接到功率放大器105的用户。

本领域技术人员知道，所描述的实施例的各个独立部分代表着可以独立提供、出售和拥有的特征。图14显示了一个单向耦合器103的示例，其输出端口103b连接到一个可能是非可调电路301，调谐到固定提供一个阻抗以提供Γ_A，其没有处理器，没有天线连接到阻抗电路301，而且在单向耦合器103的输入端口103a也没有阻抗电路401。图15显示单向耦合器103的另一个例子，其输出端口103b没有连接到任何阻抗电路301，也有没有处理器，没有天线，在单向耦合器103的输入端口103a只有一个功率放大器105和一个电路401，调谐到固定提供一个阻抗，以在功率放大器105和输入端口103a之间提供了Γ_PA。

本领域技术人员也能理解，控制器可以是一个微控制器、处理器，或者甚至是一个远程计算设备，用于控制所述天线电路。优选地，在包含该天线的手持设备里使用同一个控制器，才不至于需要双处理器。

对控制器进行编程，以调整第一阻抗电路和第二阻抗电路以及天线。通过'编程'，本领域技术人员可以理解，控制器可以以计算机程序、软件、固件或任何单片机程序来运行，指示控制器来执行任务。

已经描述了本发明的示例性实施例。虽然上述描述是关于特定实施例的，但是本领域技术人员将清楚，即使这些具体细节有些变化，本发明仍然可以实施。因此，本发明不应该被解释为限于这里所阐述的实施例。

例如，阻抗电路301和第二阻抗电路301被描述为π型电路，这仅仅是多种类型阻抗电路301中可以使用的一种。图16显示了T型阻抗电路301，图17显示了可以用来代替的两个L型阻抗电路301。本领域技术人员将理解，阻抗电路301中的可变元件可以由控制器303来微调，做一些合适的计算来提供所需的阻抗用于这些电路中。

尽管上面主要描述天线在RFID中的使用，但是同一发明及其优点也可能适用于非RFID的天线。

在某些情况下，天线101和第一阻抗电路301可以被认为是单个“天线黑匣子”。在这种情况下，虽然第一阻抗电路301已被描述为可从天线101分离出来的电路，但是本领域技术人员知道，任何集成的可调天线（其中天线阻抗可调谐，以提供一个整体阻抗，从而提供到端口2的信号反射）都被列为可能的实施例。

Claims (14)

1.一种天线电路，包括：

一个单向耦合器，其有一输入端口、一隔离端口和一输出端口；

第一阻抗电路，其连接到所述输出端口和一个天线；

所述第一阻抗电路是可调的，其有一个第一初始化调整，以提供一个第一初始化阻抗，用以将来自所述输出端口的信号反射回到所述输出端口，而抵消从所述输入端口到所述隔离端口的信号泄漏；

其中所述第一阻抗电路从所述第一初始化调整开始可调，调整其阻抗从而进一步抵消其阻抗为所述第一初始化阻抗时未能抵消的信号泄漏；

其中所述第一初始化阻抗是根据所述单向耦合器的特性来确定的，从而提供一个反射系数：

${\mathrm{\Γ}}_A=\frac{-I}{CT}$

其中，

Γ_A是所述输出端口和所述第一阻抗电路之间的反射系数；

T是从所述输入端口到所述输出端口的插入损耗；

C是所述输入端口和所述隔离端口之间的耦合因子；

I是所述输入端口和所述隔离端口之间的隔离度；

所述的天线电路还包括：

一个控制器，其被编程以从所述第一初始化调整开始调整所述第一阻抗电路，从而最优化抵消其阻抗为所述第一初始化阻抗时未能抵消的信号泄漏。

2.根据权利要求1所述的天线电路，还包括：

一个第二阻抗电路，其连接所述输入端口和一个电源输出端口；

所述第二阻抗电路是可调的，其有一个第二初始化调整，以提供一个第二初始化阻抗去匹配所述输入端口的阻抗；

其中所述第二阻抗电路从所述第二初始化调整开始可调，调整其阻抗以匹配所述输入端口上的阻抗变化。

3.根据权利要求2所述的天线电路，其中所述第二初始化阻抗是由所述单向耦合器的特性来确定的，从而提供一个反射系数：

${\mathrm{\Γ}}_{PA}={\left(\frac{-IT}{C}\right)}^{*}$

其中*表示共轭；Γ_PA是所述输入端口和所述第二阻抗电路之间的反射系数。

4.根据权利要求2所述的天线电路，还包括：

一个控制器，其被编程以从所述第二初始化调整开始调整所述第二阻抗电路，从而最优地匹配所述输入端口上的阻抗变化。

5.根据权利要求1所述的天线电路，其中所述天线是可调的。

6.根据权利要求5所述的天线电路，还包括：

一个用于访问一个存储器的访问接口，其包含至少一组预定的优化设置，用于天线优化。

7.一种手持式通信设备，包括：

根据权利要求1至6任一项所述的天线电路。

8.一种单向耦合器电路，包括：

一个单向耦合器，其有一输入端口、一输出端口和一隔离端口；

一个阻抗负载，其连接到所述输出端口；

所述阻抗负载用于提供一个阻抗，以将来自所述输出端口的信号反射回所述输出端口，而抵消从所述输入端口到所述隔离端口的信号泄漏；所述阻抗负载是可调的，从一个初始化阻抗开始，调整其阻抗以进一步抵消其所述阻抗为所述初始化阻抗时未能抵消的信号泄漏；

其中所述初始化阻抗是根据所述单向耦合器的特性来确定的，从而提供一个反射系数：

${\mathrm{\Γ}}_A=\frac{-I}{CT}$

其中，

Γ_A是所述输出端口和所述阻抗负载之间的反射系数；

T是从所述输入端口到所述输出端口的插入损耗；

C是所述输入端口和所述隔离端口之间的耦合因子；

I是所述输入端口和所述隔离端口之间的隔离度。

9.一种优化天线电路的方法，包括步骤：

提供一个单向耦合器，其有一输入端口、一输出端口和一隔离端口，所述输出端口用于馈送信号到一个天线；

在所述单向耦合器的输出端口提供一个第一阻抗负载，用以将来自所述输出端口的信号反射回所述输出端口，而抵消从所述输入端口到所述隔离端口的信号泄漏；

所述第一阻抗负载是可调的，其有一个第一初始化阻抗；

所述方法还包括：

从所述第一初始化阻抗开始，调整所述第一阻抗负载的阻抗，以进一步抵消所述阻抗为所述第一初始化阻抗时未能抵消的信号泄漏；

其中所述第一初始化阻抗是由所述单向耦合器的特性来确定的，从而提供一个反射系数：

${\mathrm{\Γ}}_A=\frac{-I}{CT}$

其中，

Γ_A是所述输出端口和所述第一阻抗负载之间的反射系数；

T是从所述输入端口到所述输出端口的插入损耗；

C是所述输入端口和所述隔离端口之间的耦合因子；I是所述输入端口和所述隔离端口之间的隔离度。

10.根据权利要求9所述的优化天线电路的方法，还包括步骤：提供一个第二阻抗负载，其有一阻抗以匹配所述输入端口上的阻抗。

11.根据权利要求10所述的优化天线电路的方法，其中：

所述第二阻抗负载是可调的，其有一个第二初始化阻抗；

所述方法还包括：

从所述第二初始化阻抗开始，调整所述第二阻抗负载的阻抗，以进一步匹配所述输入端口上的阻抗变化。

12.根据权利要求11所述的优化天线电路的方法，其中所述第二初始化阻抗是由所述单向耦合器的特性来确定的，从而提供一个反射系数：

${\mathrm{\Γ}}_{PA}={\left(\frac{-IT}{C}\right)}^{*}$

其中*表示共轭；Γ_PA是所述输入端口和所述第二阻抗负载之间的反射系数。

13.根据权利要求9所述的优化天线电路的方法，其中所述天线是可调的，还包括步骤：为所述天线里至少一个可调元件，设定一个初始化数值。

14.根据权利要求13所述的优化天线电路的方法，还包括一个更早的步骤：从多个预定的初始化数值中选择一个初始化数值，设定为所述天线里至少一个可调元件的所述初始化数值。