CN104954027B - 用于调谐无线通信设备中的天线的系统和方法 - Google Patents

用于调谐无线通信设备中的天线的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于调谐无线通信设备中的天线的系统和方法。根据本公开的一些实施例，无线通信设备的控制路径可以包括具有耦合端口和终接端口的射频耦合器，该射频耦合器被配置为耦合被耦合到天线调谐器的传输线路中的传输功率的至少一部分，从而使得耦合端口运载指示被发送给耦合到天线调谐器的天线的入射功率的第一信号，并且终接端口运载指示由该天线反射的反射功率的第二信号。控制路径还可以包括控制模块，该控制模块被配置为将一个或多个控制信号传送到天线调谐器，以用于至少基于第一信号和第二信号来控制天线调谐器的阻抗。

Description

用于调谐无线通信设备中的天线的系统和方法
技术领域
本公开总地涉及无线通信，更具体地涉及调谐无线通信设备中的天线。
背景技术
无线通信系统被用在各种电信系统、电视、无线电和其他媒体系统、数据通信网络、以及使用无线发射机和无线接收机在远程点之间传输信息的其他系统中。发射机是这样的电子设备，其通常借助于天线传播诸如无线电、电视、或者其他电信之类的电磁信号。发射机通常包括对数据信号进行编码，将其上变频为射频信号，并且将其传递给信号放大器的数字信号处理电路，其中信号放大器接收该射频，将该信号放大预定增益，并且通过天线发送经过放大的信号。另一方面，接收机是这样的电子设备，其通常也借助于天线接收并处理无线电磁信号。在某些情况中，发射机和接收机可以被结合在被称为收发信机的单个设备中。
很多无线收发信机(尤其是集成到手持无线设备(例如，蜂窝电话)中的那些)可能会由于行业中所谓的“手和头部影响”(hand and head effects)而遭受空中性能的劣化。手和头部影向可能会由于用户的头部、手、或者其他身体部位接近收发信机的天线而产生。这些身体部位对天线的接近可能会导致天线的电性质的改变，例如，有效负载电阻、负载电容、或者负载电感的改变。电特性的这些改变可能会导致发送到天线的入射功率和反射功率之比的变化，从而可能导致所发送信号的性能劣化。
发明内容
根据本公开的一些实施例，用于无线通信设备的控制路径可以包括具有耦合端口(coupled port)和终接端口(terminated port)的射频耦合器，该射频耦合器被配置为耦合被耦合到天线调谐器的传输线路中的传输功率的至少一部分，从而使得耦合端口运载第一信号并且终接端口运载第二信号，该第一信号指示发送到被耦合到天线调谐器的天线的入射功率，该第二信号指示由该天线反射的反射功率。控制路径还可以包括控制模块，该控制模块被配置为将一个或多个控制信号传送给天线调谐器，以用于至少基于第一信号和第二信号来控制天线调谐器的阻抗。
本公开的一个或多个实施例的技术优势可以包括动态调谐的天线，该动态调谐的天线可以减少或消除由于头部和手的影响或其他不期望的影响导致的传输性能的劣化。
将会理解，本公开的各种实施例可以包括所列举出的技术优势中的一些或全部优势，或者不包括所列举出的技术优势。另外，本领域技术人员根据本文中包括的附图、说明书和权利要求，将很容易明白本公开的其他技术优势。
附图说明
为了更完全地理解本公开及其特征和优势，现在参考下面的结合附图所作的描述，在附图中：
图1示出了根据本公开的某些实施例的示例无线通信系统的框图；
图2示出了根据本公开的某些实施例的示例发射和/或接收元件的被选组件的框图；以及
图3示出了根据本公开的某些实施例的用于控制天线调谐器的示例方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的某些实施例的示例无线通信系统100的框图。为了简明，图1中仅示出了两个终端110和两个基站120。终端110也可以被称为远程台站(remotestation)、移动台站、接入终端、用户设备(UE)、无线通信设备、蜂窝电话、或者一些其他术语。基站120可以是固定台站，并且也可以被称为接入点、Node B、或者一些其他术语。
终端110可能能够或者可能不能够从卫星130接收信号。卫星130可以属于诸如公知的全球定位系统(GPS)之类的卫星定位系统。每个GPS卫星可以发送利用如下信息进行编码的GPS信号，该信息允许地球上的GPS接收机测量GPS信号的到达时间。对于充足数目的GPS卫星的测量可以被用来精确估计GPS接收机的三维位置。终端110也能够从诸如蓝牙发射机、无线保真(Wi-Fi)发射机、无线局域网(WLAN)发射机、IEEE 802.11发射机、以及任何其他适当的发射机之类的其他类型的发射源接收信号。
在图1中，每个终端110被示为冋时从多个发射源接收信号，其中发射源可以是基站120或者卫星130。在某些实施例中，终端110也可以是发射源。一般地，终端110可以在任意给定的时刻，从零个、一个或者多个发射源接收信号。
系统100可以是码分多址(CDMA)系统、时分多址(TDMA)系统、或者一些其他的无线通信系统。CDMA系统可以执行诸如IS-95、IS-2000(也被统称为“1x”)、IS-856(也被统称为“1xEV DO”)、宽带CDMA(W-CDMA)之类的一个或多个CDMA标准。TDMA系统可以执行诸如全球移动通信系统(GSM)之类的一个或多个TDMA标准。W-CDMA标准由被称为3GPP的联盟定义，并且IS-2000和IS-856标准由被称为3GPP2的联盟定义。
图2示出了根据本公开的某些实施例的示例发射和/或接收元件200(例如，终端110、基站120或者卫星130)的被选组件的框图。元件200可以包括发送路径201、接收路径221、以及天线调谐器控制路径241。根据元件200的功能，元件200可以被认为是发射机、接收机、或者收发信机。
如图2中所描绘的，元件200可以包括数字电路202。数字电路202可以包括被配置为对经由接收路径221接收的数字信号和信息进行处理，和/或被配置为对用于经由发送路径201进行传输的信号和信息进行处理的任何系统、设备或装置。这种数字电路202可以包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、和/或其他适当设备。如图2中所示，数字电路202可以将数字信号的冋相(I)信道和正交(Q)信道分量传送给发送路径201。
发送路径201可以包括用于I信道和Q信道中的每个信道的数模转换器(DAC)204。每个DAC 204可以被配置为从数字电路202接收数字信号的相应I或Q信道分量，并且将该数字信号转换为模拟信号。该模拟信号然后可以被传递给发送路径201的包括上变频器208在内的一个或多个其他组件。
上变频器208可以被配置为基于振荡器210提供的振荡器信号，将从DAC 204接收的模拟信号上变频为某射频的无线通信信号。振荡器210可以是被配置为生成用于将模拟信号调制或上变频为无线通信信号或者用于将无线通信信号解调或下变频到模拟信号的特定频率的模拟波形的任何适当的设备、系统或者装置。在某些实施例中，振荡器210可以是数控晶体振荡器。
发送路径201可以包括用于放大经上变频的信号以供传输的可变增益放大器(VGA)214、以及用于进一步放大模拟上变频信号以供经由天线218进行传输的功率放大器220。功率放大器220的输出可以被传送给双工器223。双工器223可以被接口连接在天线开关216与发送路径201和接收路径221的每个之间。因此，双工器223可以允许通过天线调谐器217和天线218的双向通信(例如，从发送路径201到天线218、以及从天线218到接收路径221)。
天线开关216可以被耦合在双工器224和天线调谐器217之间。天线开关216可以被配置为对两个以上功率放大器(例如，类似于功率放大器220)的输出进行多路复用，其中每个功率放大器可以对应于不同的频带或者频带种类(band class)。天线开关216可以允许天线218所接收的信号到不同频带或频带种类的多个接收路径的双向通信(duplexing)。
天线调谐器217可以被耦合在天线开关216和天线218之间。天线调谐器217可以包括被配置为通过匹配(或者尝试紧密匹配)发送路径201到天线218的阻抗来改善天线218和发送路径201之间的功率传输效率的任何设备、系统或装置。这种匹配或者紧密匹配可以降低反射功率与从发送路径201传输到天线的入射功率之比，从而可以提高功率传输的效率。如图2中所示，天线调谐器217可以包括一个或多个可变电容器215和电感器219。如下面更加详细地讨论的，可变电容器215的电容可以基于从天线调谐器控制路径241传送来的一个或多个控制信号而变化。当这些电容被改变时，天线调谐器217和天线218的组合的有效阻抗改变。所以，通过适当地设置电容，天线调谐器217和天线218的组合的有效阻抗可以被近似匹配到发送路径201的其余部分的有效阻抗。
天线218可以接收经放大的信号并发送该信号(例如，到终端110、基站120、和/或卫星130中的一个或多个)。如图2中所示，天线218可以被耦合到发送路径201和接收路径221中的每一个路径。双工器223可以被接口连接在天线218与接收路径和发送路径中的每一个路径之间。
接收路径221可以包括低噪声放大器234，该低噪声放大器被配置为经由天线218、天线调谐器217、以及双工器223(例如，从终端110、基站120、和/或卫星130)接收无线通信信号。LNA 234还可以被配置为对所接收信号进行放大。
接收路径221还可以包括下变频器228。下变频器228可以被配置为利用振荡器210提供的振荡器信号，对经由天线218接收的、经过LNA234放大的无线通信信号进行下变频(例如，下变频为基带信号)。接收路径221可以进一步包括滤波器238，该滤波器可以被配置为对经过下变频的无线通信信号进行滤波，以使感兴趣射频信道中的信号分量通过和/或去除可能由下变频处理生成的噪声和不期望的信号。另外，接收路径221可以包括模数转换器(ADC)224，该模数转换器被配置为从滤波器238接收模拟信号并将该模拟信号转换为数字信号。该数字信号然后可以被传递到数字电路202进行处理。
天线调谐器控制路径241一般可以被配置为感测表示发送到天线218的入射功率和来自天线218的反射功率的信号，并且至少基于这些所感测到的信号来将控制信号传送给天线调谐器217用于调谐天线调谐器217的阻抗(例如，将可变电容器215调谐到期望的电容)。如图2中所示，天线调谐器控制路径241可以包括射频(RF)耦合器242。RF耦合器242可以是被配置为将传输线路中的传输功率的至少一部分耦合到一个或多个输出端口的任何系统、设备或者装置，其中该传输线路将天线开关216耦合到天线调谐器217。如本领域已知的，输出端口之一可以被称为耦合端口(例如，图2中所示的耦合端口246)，而另一输出端口可以被称为终接或者隔离端口(例如，图2中所示的终接端口247)。在很多情况中，耦合端口246和终接端口247中的每个端口可以利用特定电阻值(例如，50欧姆)的内部或外部电阻器被终接。由于RF耦台器242的物理特性，在元件200的操作期间，耦合端口246可以运载指示发送到天线218的入射功率的模拟信号(例如，电压)，而终按端口247可以运载指示从天线218反射的功率的模拟信号(例如，电压)。
开关250的输入端子可以被耦合到耦合端口246和终按端口247。以预定或者期望的间隔，转换开关250可以如下操作之间切换：闭合耦合端口246与可变增益放大器(VGA)254的输入端子之间的路径，以及闭合终接端口247与VGA 254的输入端子之间的路径。VGA254可以放大经由开关250交替传送的信号，并且可以将这些经过放大的信号传送给下变频器248。
下变频器248可以被配置为利用振荡器210提供的振荡器信号对交替的入射功率信号和反射功率信号进行下变频(例如，下变频为基带信号)，并且输出基带入射功率信号和基带反射功率信号中的每个信号的同相(I)信道和正交(Q)信道分量。另外，控制路径241可以包括用于I信道和Q信道中的每个信道的模数转换器(ADC)244，每个ADC 244被配置为接收基带入射功率信号和反射功率信号的适当分量，并且将这些分量从模拟信号转换为数字信号。
控制路径241还可以包括用于数字入射功率信号和数字反射功率信号的I信道和Q信道分量中的每个信道分量的滤波器258。在一些实施例中，每个滤波器258可以包括移动平均滤波器(例如，级联积分器梳齿状滤波器)，该滤波器被配置为在其输出端生成在其输入端接收的信号的移动平均。结果，滤波器258可以输出经过平均的数字入射功率信号的I信道和Q信道分量、以及经过平均的数字反射功率信号的I信道和Q信道分量。
如图2中所描绘的，控制路径241还可以包括功率测量模块262。功率测量模块262可以包括被配置为基于经过平均的数字入射功率信号的I信道和Q信道分量以及经过平均的数字反射功率信号的I信道和Q信道分量，计算并输出指示发送给大线218的入射功率的大小|Pi|和从天线218反射的反射功率的大小|Pr|的信号的任何系统、设备或装置。例如，功率测量模块262可以根据等式来计算入射功率，并且可以根据等式来计算反射功率，其中|PiI|是经过平均的数字入射功率信号的I信道分量的大小，|PiQ|是经过平均的数字入射功率信号的Q信道分量的大小，|PrI|是经过平均的数字反射功率信号的I信道分量的大小，|PrQ|是经过平均的数字反射功率信号的Q信道分量的大小。
控制路径241还可以包括相位测量模块264。相位测量模块264可以包括被配置为基于经过平均的数字入射功率信号的I信道和Q信道分量以及经过平均的数字反射功率信号的I信道和Q信道分量，来计算并输出指示发送给天线218的入射功率的相位和从天线218反射的反射功率的相位的信号的任何系统、设备或者装置。例如，相位测量模块264可以根据等式来计算入射功率相位，并可以根据等式来计算反射功率相位，其中PiI是平均数字入射功率信号的I信道分量，PiQ是平均数字入射功率信号的Q信道分量，PrI是平均数字反射功率信号的I信道分量，PrQ是平均数字反射功率信号的Q信道分量。
控制路径241可以另外包括控制模块266，该控制模块被配置为接收指示入射功率|Pi|、反射功率的大小|Pr|、入射功率的相位以及反射功率的相位的信号，并且至少基于这些所接收的信号，向天线调谐器217输出一个或多个控制信号以控制天线调谐器217的阻抗(例如，通过控制可变电容器215的电容)。例如，为了相对于入射功率降低反射功率(从而改善功率传输)，控制模块266可以向天线调谐器217传送控制信号，以控制天线调谐器217的有效阻抗，从而使得反射功率与入射功率之比被最小化。作为具体示例，天线218的复反射系数可以由等式给出，其中A和B是复反射系数的实部和虚部，Vr和Vi是反射电压和入射电压。反射系数描述了回波损耗(return loss)，并且如上所示，可以作为反射功率和入射功率之比被给出。电压驻波比(VSWR)可以被给出为(1+|Γ|)/(1-|Γ|)。给定Γ＝(ZL-Z0)/(ZL+Z0)，其中ZL是天线调谐器的当前复阻抗，Z0表示耦合到天线218的传输线路的已知特性阻抗(例如，对于很多应用来说，通常等于50欧姆)，控制模块266可以解出阻抗ZL并相应地修改该阻抗，以减小复反射系数Γ。为了进一步图示说明，反射系数的大小可以由给出，并且递送给天线负载ZL的功率的百分比可以给出为1-|Γ|2。
因此，为了相对于入射功率减小反射功率(从而改善功率传输)，控制模块266可以将控制信号传送给天线调谐器217，以减小复反射系数Γ。
控制路径241的多个部分(例如，滤波器258、功率测量模块262、相位测量模块264、和/或控制模块266)可以被实现为一个或多个微处理器、数字信号处理器、和/或其他合适的设备。
图3示出了根据本公开的某些实施例的用于控制天线调谐器的示例方法300的流程图。根据一个实施例，方法300优选在步骤302处开始。如上所述，本公开的教导可以被实现在各种配置的系统100中。这样，用于方法300的优选初始化点和包括方法300的步骤302至322的次序可以取决于所选择的实施方式。
在步骤302，控制路径241可以设置用于天线调谐器217的调谐器步长(例如，基于通过改变可变电抗器215的电容可得到的电容的最小变化量)。
在步骤304，开关250可以进行切换以将耦合端口246耦合到控制路径241的其他元件。在步骤306，功率管理模块262、相位管理模块264、和/或控制路径241的其他组件可以感测指示耦合端口功率的信号，将测量结果转换为以1毫瓦为参考的分贝数(dBm)，并且计算入射功率Pi(例如，如上面参考图2所述的)。
在步骤308。开关250可以进行切换以将终接端口247耦合到控制路径241的其他元件。在步骤310，功率管理模块262、相位管理模块264、和/或控制路径241的其他组件可以感测指示终接端口功率的信号，将测量结果转换为以1毫瓦为参考的分贝数(dBm)，并且计算反射功率Pr(例如，如上面参考图2所述的)。
在步骤312，控制模块266可以基于计算出的入射功率Pi和计算出的反射功率Pr来估计反射系数的平方Γ2(例如，通过控制模块266)(例如，在所有量均被转换为dBm后，Γ2＝|Pi-Pr|)。
在步骤314，控制模块266可以估计εn＝Directivity-Γ2，其中directivity(指向性)是入射和反射功率的理想比率，其可以是测量耦合器在隔离两个反向行进(入射和反射)信号方面的有效性的RF耦合器242的特性。在没有传输线路失配的系统中，Directivity＝Γ2。因此，εn可以表示指示天线负载的估计回波损耗的误差值，其中，n对应于天线调谐器217的当前步阶设置。
在步骤316，控制模块266可以判断εn是否大于或等于特定阈值(例如，3分贝)。如果εn大于或者等于特定阈值，则方法300可以进行到步骤318。否则，方法300可以返回到步骤304。
在步骤318，响应于判断出εn大于或等于特定阈值，控制模块266可以判断εn是否大于或等于εn-1，其中n-1对应于天线调谐器217的下一较低步阶设置。如果εn大于或等于εn-1，则方法300可以进行到步骤320。否则，方法可以进行到步骤322。
在步骤320，响应于判断出εn大于或等于εn-1，控制模块266可以将控制信号传送给天线调谐器217，从而使得天线调谐器217被步进到其下一较高设置(例如，可变电抗器215的电容增加了可能的最小量)。在步骤320完成以后，方法300可以再次进行到步骤304。
在步骤322，响应于判断出εn不大于或等于εn-1，控制模块266可以将控制信号传送给天线调谐器217，从而使得天线调谐器217被步进到其下一较低设置(例如，可变电抗器215的电容减小了可能的最小量)。在步骤322完成以后，方法300可以再次进行到步骤304。
尽管图3公开了相对于方法300将采用的特定数目的步骤，应该理解，方法300可以通过比图3中所描绘的更多或者更少的步骤被执行。另外，尽管图3公开了相对于图3将采用的某种次序的步骤，但是包括方法300的步骤可以以任何适当的次序被完成。
可以使用系统100或者能够实现方法300的任何其他系统来实现方法300。在某些实施例中，方法300可以部分或者完全地以计算机可读介质中包括的软件来实现。
在本公开的范围内可以对系统100做出修改、添加、或者省略。系统100的组件可以被结合在一起或者被分离。另外，系统100的操作可以由更多、更少或者其他组件执行。如本文档中所使用的，“每个”是指一组中的每个成员或者一组的子组中的每个成员。
尽管利用多个实施例描述了本公开，但是各种改变和修改可以被建议给本领域技术人员。希望本公开覆盖落入所附权利要求的范围内的改变和修改。

Claims (24)

1.一种无线通信设备，包括：
发送路径，配置以将第一信号转换为无线通信信号；
耦合到所述发送路径的天线调谐器；和
耦合到所述天线调谐器的控制路径，所述控制路径被配置为：
感测从所述发送路径发射的功率;
感测从所述发送路径发射的功率的相位；和
基于所感测的功率和​​所感测的相位，将控制信号传送给所述天线调谐器以控制所述天线调谐器的阻抗。
2.权利要求1的无线通信设备，还包括耦合到所述天线调谐器的天线。
3.权利要求2的无线通信设备，其中所述发送路径进一步被配置以经由所述天线发射所述无线通信信号。
4.权利要求2的无线通信设备，其中所述天线调谐器被配置为将所述发送路径的阻抗与所述天线相匹配。
5.权利要求1的无线通信设备，还包括被配置以产生振荡器信号的振荡器。
6.权利要求5的无线通信设备，其中所述发送路径被配置为基于所述振荡器信号将所述第一信号转换成所述无线通信信号。
7.权利要求1的无线通信设备，还包括耦合到所述发送路径的至少一个开关。
8.权利要求7的无线通信设备，其中所述至少一个开关被配置成对来自多个功率放大器的多个输出进行多路复用，所述多个功率放大器的每一个对应于不同的频带。
9.权利要求1的无线通信设备，所述天线调谐器包括被配置为基于所述控制信号而变化的可变电容器。
10.一种无线通信设备，包括：
发送路径，配置以将第一信号转换为第一无线通信信号；
接收路径，配置以接收第二无线通信信号并将所述第二无线通信信号转换为第二信号;
耦合到所述接收路径和所述发送路径的天线调谐器；以及
耦合到所述天线调谐器的控制路径，所述控制路径被配置为：
感测从所述发送路径发射的功率;
感测从所述发送路径发射的功率的相位；和
基于所感测的功率和所感测的相位，将控制信号传送给所述天线调谐器以控制所述天线调谐器的阻抗。
11.权利要求10的无线通信设备，还包括耦合到所述天线调谐器的天线。
12.权利要求11的无线通信设备，其中所述发送路径进一步被配置以经由所述天线发射所述第一无线通信信号。
13.权利要求11的无线通信设备，其中所述天线调谐器被配置为将所述发送路径的阻抗与所述天线相匹配。
14.权利要求10的无线通信设备，还包括被配置以产生振荡器信号的振荡器。
15.权利要求14的无线通信设备，其中：
所述发送路径被配置为基于所述振荡器信号将所述第一信号转换成所述第一无线通信信号;和
所述接收路径被配置为基于所述振荡器信号将所述第二无线通信信号转换成所述第二信号。
16.权利要求10的无线通信设备，还包括耦合到所述发送路径的至少一个开关。
17.权利要求16的无线通信设备，其中所述至少一个开关被配置成对来自多个功率放大器的多个输出进行多路复用，所述多个功率放大器的每一个对应于不同的频带。
18.权利要求10的无线通信设备，所述天线调谐器包括被配置为基于所述控制信号而变化的可变电容器。
19.一种用于控制天线调谐器的方法，包括：
将第一信号转换为无线通信信号；
感测从发送路径发射的功率;
感测从所述发送路径发射的功率的相位；和
基于所感测的功率和​​所感测的相位，控制所述天线调谐器的阻抗。
20.权利要求19的方法，还包括经由天线从所述发送路径发射所述无线通信信号。
21.权利要求19的方法，还包括：
接收来自振荡器的振荡器信号；以及
基于所述振荡器信号将所述第一信号转换成所述无线通信信号。
22.权利要求19的方法，还包括将所述发送路径的阻抗与天线相匹配。
23.权利要求19的方法，还包括对来自多个功率放大器的多个输出进行多路复用，其中所述多个功率放大器的每一个对应于不同的频带。
24.权利要求19的方法，其中控制所述天线调谐器的阻抗包括设置所述天线调谐器中的可变电容器的电容值。
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