CN104170265B - 使用天线及定向耦合器开关的接近性检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

对射频RF装置的天线的失配的增加及/或所述天线的电容值的改变的检测指示人体到所述天线的接近性。在检测到人体到所述天线的接近性后，可即刻进行所述RF装置的发射功率的减小以满足比吸收率SAR水平法规。

Description

使用天线及定向耦合器开关的接近性检测装置和方法
相关专利申请案
本申请案主张2012年2月15日申请的序号为61/598,969的共同拥有的美国临时专利申请案的优先权，所述申请案出于各种目的以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种射频(RF)装置，其具有在所述RF装置与天线之间的定向耦合器开关，且特定来说，涉及利用所述定向耦合器开关及天线来进行用户的接近性检测。
背景技术
Wi-Fi是一种灵活的短程数据通信技术，其用以连接例如各种各样的笔记型计算机、平板计算机、手持机、消费型电子器件、智能公用设施表等装置。Wi-Fi技术广泛用以在例如机场、宾馆及购物中心等公共场所中提供无线因特网接入，且还在家庭及办公室中使用以允许各式各样的装置接入因特网且无需特殊电缆而彼此连网。Wi-Fi装置使用在2.4GH与5GHz范围中的低功率无线电波来在空中发射及接收数据。其中Wi-Fi发射的功率越大，具备Wi-Fi能力装置的距程就越长。然而，当从Wi-Fi装置产生足够射频(RF)功率输出时，Wi-Fi装置以可潜在地对人类有害的频率操作。FCC及世界上的其它联邦政府机构要求任何无线装置应被评估为满足政府法规中所阐明的RF暴露极限(例如，比吸收率(SAR)水平)。
因此，在确定当具备Wi-Fi能力的装置极接近用户时的最大允许RF功率输出时必需进行SAR测试。比吸收率(SAR)是当使用无线装置时由人体吸收的射频(RF)量的测量单位。SAR值以瓦特/千克(W/kg)或毫瓦/克(mW/g)为单位来表达。所使用的RF暴露极限以SAR为单位来表达，其是针对以从300kHz到100GHz的频率操作的发射器的电磁场强度及功率密度的度量。用于测量SAR值的最通常接受的方法是直接方法SAR测试。此方法利用称作“SAM假体”(用以模拟人头)及“平底假体”(用以模拟人体)的模型。借助此方法，利用具有机器人的SAR测试系统在实验室条件下以最高验证功率水平测试无线装置。
存在RF发射可导致长期健康问题的潜在危险。出于此原因，检测吸收人体的存在是重要的。数个最近医学研究指向来自普通便携式装置(例如手机、电子阅读器及平板计算机)的天线的所吸收RF辐射的潜在致癌效应。因此，对于具备Wi-Fi能力装置，如果在极其接近于用户的人体时装置的Wi-Fi特征以其最大RF功率输出操作，那么对于装置的用户可为不安全的。新的FCC测试指南要求在操作期间在距每一装置表面大约10毫米的距离处测量RF辐射。
发明内容
因此，需要可可靠地检测在这些FCC距离内的人类用户且减小发射功率以满足这些较严格FCC指南的接近性检测系统。此外，需要在RF装置中提供允许以简单且有效的方式测量相应装置的RF前向及反射功率的能力。
根据一实施例，一种用于将天线与射频(RF)系统耦合的定向耦合器可包括：第一连接，其用于将所述天线耦合到布置于所述定向耦合器内的定向耦合器开关；第二连接，其用于通过所述定向耦合器开关将所述RF系统耦合到所述天线；及第三连接，其用于通过所述定向耦合器开关将所述天线耦合到电容测量装置，其中所述电容测量装置测量所述天线的电容值。
根据另一实施例，可在所述定向耦合器开关与所述第一连接之间耦合回波损耗桥接器。根据另一实施例，所述回波损耗桥接器可提供反射功率测量。根据另一实施例，可在所述定向耦合器开关与所述第一连接之间耦合电压驻波比桥接器。根据另一实施例，所述电压驻波比桥接器可提供反射电压驻波测量。根据另一实施例，所述定向耦合器开关可为三位置开关。
根据另一实施例，所述电容性测量装置可包括充电时间测量单元(CTMU)。根据另一实施例，所述电容性测量装置可包括电容性分压器(CVD)电路。根据另一实施例，所述电容性测量装置可包括振荡器及鉴频器电路。根据另一实施例，微控制器可耦合到且控制所述定向耦合器开关。
根据另一实施例，一种射频装置可包括：射频子系统；功率放大器，其耦合到所述射频子系统；低噪声放大器，其耦合到所述射频子系统；天线；定向耦合器，其可包括：第一连接，其用于将所述天线耦合到布置于所述定向耦合器内的定向耦合器开关；第二连接，其用于通过所述定向耦合器开关将所述功率放大器耦合到所述天线；第三连接，其用于通过所述定向耦合器开关将所述低噪声放大器耦合到所述天线；及第四连接，其 用于通过所述定向耦合器开关将所述天线耦合到电容测量装置，其中所述电容测量装置测量所述天线的电容值。
根据另一实施例，可在所述定向耦合器开关与所述第一连接之间耦合回波损耗桥接器。根据另一实施例，所述回波损耗桥接器可提供反射功率测量。根据另一实施例，可在所述定向耦合器开关与所述第一连接之间耦合电压驻波比桥接器。根据另一实施例，所述电压驻波比桥接器可提供反射电压驻波测量。根据另一实施例，所述定向耦合器开关可为三位置开关。
根据又一实施例，一种用于确定物体到射频装置的天线的接近性的方法可包括以下步骤：测量所述天线的电容值；确定所述天线的所述所测量电容值是否已自所述天线的电容值的先前测量改变；及当所述天线的所述电容性值已改变达至少某一值时检测所述物体到所述天线的接近性。
根据所述方法的另一实施例，可包括以下步骤：测量所述天线的反射电压驻波值；确定所述天线的所述反射电压驻波值是否已从所述天线的反射电压驻波值的先前测量改变；及当所述天线的所述反射电压驻波值已改变达至少某一值时检测所述物体到所述天线的接近性。
根据所述方法的另一实施例，可包括以下步骤：当检测到所述物体到所述天线的接近性时减小所述射频装置的发射功率。
根据又一实施例，一种用于确定物体到射频装置的天线的接近性的方法可包括以下步骤：测量所述天线的反射电压驻波值；确定所述天线的所述反射电压驻波值是否已从所述天线的反射电压驻波值的先前测量改变；及当所述天线的所述反射电压驻波值已改变达至少某一值时检测所述物体到所述天线的接近性。
根据所述方法的另一实施例，可包括以下步骤：测量所述天线的电容值；确定所述天线的所述所测量电容值是否已从所述天线的电容值的先前测量改变；及当所述天线的所述电容性值已改变达至少某一值时检测所述物体到所述天线的接近性。根据所述方法的另一实施例，可包括以下步骤：当检测到所述物体到所述天线的接近性时减小所述射频装置的发射功率。
附图说明
通过结合附图参考下文说明可获得对本发明的更完整理解，在附图中：
图1图解说明根据本发明的特定实例性实施例的RF装置的示意性框图；
图2图解说明根据本发明的特定实例性实施例的图1中所展示的RF装置的一部分的更详细示意性框图；且
图3图解说明根据本发明的教示的图1中所展示的RF装置的一部分的更详细替代示意性框图。
尽管易于对本发明做出各种修改及替代形式，但已在图式中展示并在本文中详细描述其特定实例性实施例。然而，应理解，本文中对特定实例性实施例的说明并非打算将本发明限于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明将涵盖如由所附权利要求书所定义的所有修改及等效形式。
具体实施方式
根据各种实施例，可使用天线的失配条件来检测在发射天线的近场中的人体。这允许当装置在足够严重失配条件中时减小发射功率或者停止发射。根据各种进一步实施例，使用天线作为电容性传感器的电容性接近性或触及感测可用以在电容性传感器天线的足够大电容性改变后即刻检测到物体(人体)，例如，RF装置用户。类似地，可使用接近性检测来减小发射功率以满足SAR要求。
根据各种实施例，集成式特征可提供到RF产品，其将允许在无额外系统/装置的情况下测量接近性或天线性能。大多数电容性接近性解决方案可用以检测人体到天线的接近性以便减小RF放大器的输出功率以通过FCC SAR法规。由于天线是针对RF系统中的接近性受关注的元件，因此这将允许天线变为接近性传感器。利用天线作为电容性传感器通过消除对单独电容传感器的需要而减小系统成本、改进电容性感测性能且实现较高封装密度。可在数字处理器/微控制器功能中对反射功率输出模拟信号及/或用作电容性传感器的天线进行后处理。
根据一实施例，可使用RF定向耦合器开关上的额外端口将天线耦合到电容测量电路以用于检测人体到天线的接近性。此额外端口可用作将用作电容性触及或电容性接近性传感器的天线的电容感测路径。
所提出的各种实施例可用于任何RF产品中。根据一实施例，定向耦合器开关上的额外输入-输出端口可提供为装置上的外部引脚以允许测量天线的反射功率或提供为外部装置将天线用作电容性传感器的路径。此可提供在市场中独特且有用的集成式特征RF产品。其还可提供满足FCC SAR法规的简单、低成本解决方案。
本文中所揭示的各种实施例可基于在功率放大器与天线之间的定向耦合器。此类定 向耦合器已经存在于将其用于将天线调谐到最佳性能的一些常规芯片组中。根据各种实施例，还可使用此失配信息来检测天线的近场中的场干扰存在以评估人体的存在或接近性。可在不需要激活发射功率的情况下使用借助天线作为电容性传感器的电容性接近性感测以使得可在发射发生之前针对适当SAR水平调整RF功率输出。
现在参考图式，示意性地图解说明特定实例性实施例的细节。图式中的相同元件将由相同编号表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相似编号表示。
参考图1，所描绘的是根据本发明的特定实例性实施例的RF装置的示意性框图。RF装置100可包括定向耦合器102、功率放大器(PA)118(未展示低通滤波器与匹配电路)、RF子系统120、低噪声放大器(LNA)116、电容测量装置114、数字处理器与存储器112以及RF天线104。定向耦合器102可包括定向耦合器开关110、回波损耗桥接器106或电压驻波比(VSWR)桥接器106a及耦合到数字处理器112的VSWR桥接器接口108。RF子系统120可为数字无线系统，例如Wi-Fi等。
参考图2，所描绘的是根据本发明的特定实例性实施例的图1中所展示的RF装置的一部分的更详细示意性框图。定向耦合器开关110可包括多掷开关222，多掷开关222分别针对RF装置100的发射或接收操作通过VSWR桥接器106a将天线104耦合到PA118或者LNA 116。额外端口可添加到RF定向耦合器开关110且通过开关222耦合到天线104。此额外端口可充当电容感测路径以使得天线可用作电容性触及或接近性传感器。当开关222处于图2中所展示的位置中时，天线104(充当电容性传感器)耦合到电容测量装置114。电容测量装置114测量电容性传感器天线110的电容，且当天线110(充当电容性传感器)的电容值的充分改变发生时，可将指示物体极接近或触及天线110的信号发送到数字处理器112。数字处理器112可然后使用来自电容测量电路112的此电容改变信息来向下调整发射RF功率以符合SAR法规。开关222可由数字处理器112控制。
电容测量装置114可为具有用于此应用必需的电容分辨率的任何一或多个电容测量装置。举例来说，但不限于，充电时间测量单元(CTMU)可用于极准确的电容测量。在www.microchip.com处可得的微芯片应用注解AN1250及AN1375以及标题为“测量长时间周期(Measuring a long time period)”的共同拥有的美国专利第US 7,460,441 B2号及标题为“电流时间数/模转换器(Current-time digital-to-analog converter)”的共同拥有的美国专利第US 7,764,213 B2号(两者作者均为詹姆斯E.巴特灵(James E.Bartling))中更充分地描述CTMU；其中全部上述内容出于各种目的以引用方式并入本文中。
另外，电容测量装置114可用以仅检测天线104的电容的改变。举例来说，可根据在www.microchip.com处可得的AN1298及作者为迪特尔·彼得(Dieter Peter)的标题为“使用模/数转换器(ADC)的内部电容器及电压参考进行电容性触摸感测(Capacitive TouchSensing Using an Internal Capacitor of an Analog-to-Digital Converter(ADC)anda Voltage Reference)”的共同拥有的第US 2010/0181180 A1号美国专利公开申请案使用电容性分压器(CVD)装置。可根据在www.microchip.com处可得的AN1171、AN1312及AN1334以及作者为凯斯E.柯蒂斯(Keith E.Curtis)等人的标题为“具有抗噪性的电容性触摸系统(Capacitive Touch System With Noise Immunity)”的共同拥有的第US 2011/0007028A1号美国专利申请案来使用电容性感测模块(CSM)电路；其中全部上述内容出于所有目的以引用方式并入本文中。
另一电容性改变检测电路可为使用天线104的电容作为频率确定元素中的一者的调谐电路及鉴频器电路，如在作者为扎卡里亚斯·马蒂纳斯·斯米特(ZachariasMarthinus Smit)等人的标题为“当检测传感器或频率源激活的频率改变时处于低功率睡眠模式中的电子装置的中断/唤醒(Interrupt/Wake-Up of an Electronic Device in aLow Power Sleep Mode When Detecting a Sensor or Frequency Source ActivatedFrequency Change)”的共同拥有的第US 2008/0272826 A1号美国专利公开申请案中更充分地描述，且所述申请案出于所有目的以引用方式并入本文中。
预期且在本发明的范围内，电容性测量与电容性改变检测电路领域的且受益于本发明的技术人员可根据本发明的教示来设计有效电容性测量及/或电容性改变检测电路并予以应用。还预期且在本发明的范围内，VSWR接口108、数字处理器与存储器112以及电容测量装置114可提供于微控制器中。
参考图3，所描绘的是根据本发明的教示的图1中所展示的RF装置的一部分的更详细替代示意性框图。在此应用中，回波损耗桥接器106及VSWR桥接器106a的操作可互换。参考图3(a)，VSWR接口108a可包括多路复用器332及模/数转换器(ADC)330。多路复用器332可由数字处理器112控制。多路复用器332可具有两个输入，一个耦合到来自VSWR桥接器106a的前向驻波电压，且另一个耦合到来自VSWR桥接器106a的反向驻波电压。数字处理器112通过多路复用器332选择ADC 330将把哪一驻波电压转换为其数字表示且然后读取所述数字表示。根据驻波电压，数字处理器可确定人体(未展示)到天线104的接近性，及/或控制定向耦合器开关以使得天线104耦合到电容测量装置114以确定天线电容是否已充分地改变以指示人体到其的接近性。
参考图3(b)，VSWR接口108b可包括电压比较器340以及分压器电阻器342及344。通常来自VSWR桥接器106a的前向VSWR将处于远高于反向VSWR电压的电压，然而当在天线104处发生失配时反向VSWR电压将增加。可通过所要“跳脱”反向VSWR 电压确定分压器电阻器342及344的电阻值的选择。当超过此跳脱电压时，电压比较器340将逻辑高“1”发送到数字处理器112。当检测到高反向VSWR电压时，数字处理器可确定人体(未展示)到天线104的接近性，及/或控制定向耦合器开关以使得天线104耦合到电容测量装置114以确定天线电容是否已充分地改变以指示人体到其的接近性。
尽管已参考本发明的实例性实施例来描绘、描述及定义本发明的实施例，但此些参考并不意味着对本发明的限制，且不应推断出此限制。如相关领域的且受益于本发明的技术人员将联想到，所揭示的标的物能够在形式及功能上具有大量修改、改动及等效形式。所描绘及所描述的本发明的实施例仅为实例，而并非对本发明的范围的穷尽性说明。

Claims (19)

1.一种用于将天线与射频系统耦合的定向耦合器，其包括：
第一连接点，其经配置以将与所述第一连接点耦合的天线与布置于所述定向耦合器内的定向耦合器开关耦合；
第二连接点，其经配置以通过所述定向耦合器开关将与所述第二连接点耦合的射频系统与所述第一连接点耦合；及
第三连接点，其经配置以通过所述定向耦合器开关将所述第一连接点与和所述第三连接点耦合的电容测量装置耦合，其中所述电容测量装置测量所述天线的电容值,
其中所述定向耦合器开关经控制以将所述第一连接点与所述第二连接点或所述第三连接点耦合。
2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其中所述第一连接点为所述定向耦合器的外部连接点。
3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其进一步包括耦合于所述定向耦合器开关与所述第一连接点之间的回波损耗桥接器。
4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其中所述回波损耗桥接器提供反射功率测量。
5.根据权利要求3所述的定向耦合器，其进一步包括耦合于所述定向耦合器开关与所述第一连接点之间的电压驻波比桥接器。
6.根据权利要求5所述的定向耦合器，其中所述电压驻波比桥接器提供反射电压驻波测量。
7.根据权利要求5所述的定向耦合器，其进一步包括接口，所述接口经配置以将所述回波损耗桥接器或所述电压驻波比桥接器与处理器耦合。
8.根据权利要求7所述的定向耦合器，其中所述接口包括
多路复用器，其与所述回波损耗桥接器或所述电压驻波比桥接器的前向和反向连接点耦合，以及模/数转换器，其与所述多路复用器的输出耦合；
或
比较器，其通过分压器与前向连接点耦合，且所述比较器与反向连接点耦合，其中所述比较器产生逻辑输出信号。
9.根据权利要求1所述的定向耦合器，其中所述定向耦合器开关为三位置开关，其中所述第二连接点被分解为发射连接点和接收连接点，且其中所述定向耦合器开关经控制以将所述第一连接点与所述第二连接点的所述发射连接点、所述第二连接点的所述接收连接点或所述第三连接点耦合。
10.一种射频装置，其包括根据前述权利要求中之一所述的定向耦合器，所述射频装置进一步包括与所述第三连接点连接的所述电容测量装置。
11.根据权利要求10所述的射频装置，其中所述电容测量装置包括充电时间测量单元。
12.根据权利要求10所述的射频装置，其中所述电容测量装置包括电容性分压器电路。
13.根据权利要求10所述的射频装置，其中所述电容测量装置包括振荡器及鉴频器电路。
14.根据权利要求10-13中之一所述的射频装置，其进一步包括耦合到且控制所述定向耦合器开关以及所述电容测量装置的数字处理器。
15.根据权利要求10-13中之一所述的射频装置，其进一步包括：
所述射频系统，其与所述第二连接点连接，所述射频系统包括：
射频子系统；
功率放大器，其耦合到所述射频子系统以及所述第二连接点的发射连接点；
低噪声放大器，其耦合到所述射频子系统以及所述第二连接点的接收连接点。
16.一种射频系统，其包括根据权利要求15所述的射频装置，其进一步包括与所述第一连接点连接的所述天线。
17.一种用于操作根据权利要求16所述的射频系统的方法，其包括：
在第一操作模式下：
控制所述定向耦合器开关以将所述天线与所述射频系统耦合；
在第二操作模式下：
控制所述定向耦合器开关以将所述天线与所述电容测量装置耦合。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：
当处于所述第一操作模式下时：
控制所述定向耦合器开关以将所述天线与所述第二连接点的所述发射连接点耦合。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：
当处于所述第一操作模式下时：
控制所述定向耦合器开关以将所述天线与所述第二连接点的所述接收连接点耦合。
CN201380014788.5A 2012-02-15 2013-02-14 使用天线及定向耦合器开关的接近性检测装置和方法 Active CN104170265B (zh)

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