CN105577198A - 阻抗调谐控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阻抗调谐控制装置及方法。阻抗调谐控制装置包括处理电路和输出电路。处理电路被配置为根据第一性能指标确定第一控制设置，并以第一控制设置设定的搜索起始点执行搜索操作，以根据第二性能指标寻找第二控制设置。第二性能指标与第一性能指标不同。该输出电路被配置为向调谐器输出最终控制设置，其中从所述第二控制设置导出所述最终控制设置。本发明的阻抗调谐控制装置及方法，能够正确地配置天线调谐器以使得向天线传输的功率最大化。

Description

阻抗调谐控制装置及方法

技术领域

本发明涉及控制阻抗匹配(impedancematching)，更具体地，涉及通过使用混合控制算法来控制阻抗调谐(impedancetuning)的装置和方法。

背景技术

当无线通信设备操作在发送(TX)模式时，天线可用于以无线的方式(overtheair)发送射频(radiofrequency，RF)信号。然而，在无线通信设备(如移动电话)中使用的天线由于某些因素可能会失效。例如，天线与前端模块之间的阻抗失配可能导致天线性能损失。另一个例子，人体(如头和手)可能会影响天线阻抗,因此也导致天线性能损失。在现实中,无线通信设备的环境状况可能会随着时间而不同，这将大大地影响天线的性能。当天线性能在TX模式中被降低时,需要功率放大器来输出具有更大TX功率的RF信号，以补偿天线损失。因而,功率放大器的电流消耗增加。当无线通信设备是由电池供电的便携设备时，电池的寿命较短，导致使用无线通讯设备时较差的用户体验。

一些损失的天线性能可以通过天线调谐而恢复。无线通信设备可以使用动态阻抗调谐技术来改善天线的性能。然而，对天线调谐的适当控制对天线性能的改善至关重要。如果没有正确地控制天线调谐器，则天线可能无法具有期望的性能增益。因此，需要一种能够正确地配置天线调谐器以使向天线传输的功率最大化的天线调谐控制方案。

发明内容

因此，根据本发明的示例性实施方式，提出了通过使用混合控制算法来控制阻抗调谐的装置和方法以解决上述问题。

依据本发明的第一方面，披露了一种示例的阻抗调谐控制装置。该示例的阻抗调谐控制装置包括处理电路和输出电路。该处理电路被配置为根据第一性能指标确定第一控制设置，并以第一控制设置设定的搜索起始点执行搜索操作，以根据与第一性能指标不同的第二性能指标寻找第二控制设置。该输出电路被配置为向调谐器输出最终控制设置，其中从第二控制设置导出最终控制设置。

依据本发明的第二方面，披露了一种示例的阻抗调谐控制方法。该示例的阻抗调谐控制方法包括：根据第一性能指标确定第一控制设置；以所述第一控制设置设定的搜索起始点执行搜索操作，以根据与所述第一性能指标不同的第二性能指标寻找第二控制设置；以及基于从所述第二控制设置导出最终控制设置控制调谐器。

上述阻抗调谐控制装置和阻抗调谐控制方法能够正确地配置天线调谐器以使得向天线传输的功率最大化。

在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。

附图说明

图1是例示根据本发明的实施方式在无线通信设备中实现的阻抗调谐控制装置的示意图。

图2是例示没有天线调谐器的系统的简化模型的示意图。

图3是例示具有天线调谐器的系统的简化模型的示意图。

图4是例示图1所示处理电路所确定的第一和第二控制设置的示例的示意图。

图5是例示根据本发明的实施方式的阻抗调谐控制方法的流程图。

图6是例示图5所示步骤514的替代设计的示意图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域一般技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一元件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的“包含”是开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置电性连接于第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。

图1是例示根据本发明的实施方式在无线通信设备中实现的阻抗调谐控制装置的示意图。例如，无线通信设备100可以是移动电话。应该注意，图1只示出了与本发明相关的组件。在实践中，无线通信设备100可以具有附加组件来实现其他功能。如图1所示，无线通信设备100包括印刷电路板102和天线装置(assembly)104。印刷电路板102具有安装于其上的多个电路元件。例如，阻抗调谐控制装置112、TX电路114、双工器(DPX)115和检测电路116安装在印刷电路板102上。天线装置104包括天线调谐器132和天线134。

TX电路114包括需要生成被发送至天线调谐器132的具有特定TX功率的RF信号的电路元件。例如，TX电路114具有功率放大器(poweramplifier,PA)113，TX电路114的PA输出通过双工器115和传输线106传送给天线调谐器132。双工器115是无线电设备，其使得能够经过单个天线进行信号传输和信号接收。检测电路116包括耦合器117、低噪声放大器(low-noiseamplifier,LNA)118和反射系数检测器119。

阻抗调谐控制装置112用于天线调谐，并且包括处理电路122和输出电路124。例如，处理电路122可以是微控制器或数字信号处理器(DSP)。处理电路122被配置为使用混合控制算法，对天线调谐器132生成最终的控制设置CS_F用于天线调谐。具体来说，最终的控制设置CS_F被处理电路122动态地更新用于动态地阻抗调谐。例如，当天线加载(例如，相位和/或振幅)或频带改变时，处理电路122可操作地执行混合控制算法来确定新的最终控制设置CS_F用于天线调谐器132。输出电路124被配置为，通过诸如移动行业处理器接口(MobileIndustryProcessorInterface,MIPI)的接口108输出最终的控制设置CS_F。应该指出的是，为了良好的搜索性能，在初始化所提出的局部最小值搜索操作时，可以涉及中间控制设置(例如，第一控制设置CS_1)，该中间控制设置还经由输出电路124被发送至天线调谐器132以改变天线调谐器设置。因此，以应用于天线调谐器132的中间控制设置(例如，第一控制设置CS_1)给出的初始化，来执行提出的局部最小值搜索操作。

关于天线调谐器132，其包括输入电路136和阻抗调谐电路138。阻抗调谐电路138可以使用匹配网络139来实现，匹配网络139可诸如具有一个或多个可调元件(例如，可调电容器)的开关-电容-电感网络。因此，由输入电路136接收的任何控制设置，诸如最终控制设置CS_F或第一控制设置CS_1，具有多个控制字CW₁、CW₂、…CW_N值用来控制可调元件的元件值，例如可调电容器的电容值。应该注意的是，阻抗调谐电路138可以通过使用不同的电路结构来实现，在这些电路结构中，可以存在可变电容器或可调开关或他们两者。此外，阻抗调谐电路138中实现的可调元件的数量可以根据实际的设计考虑进行调整。阻抗调谐电路138具有的阻抗应当被适当地控制以使得到天线134的传送功率最大化。在这个实施方式中，处理电路122采用两种控制算法来确定用于当前天线加载(antennaloading)的一个最终控制设置CS_F。下面描述了处理电路122的进一步细节。

处理电路122被配置为使用用于根据第一天线性能指标确定第一控制设置CS_1的第一控制算法，并使用第二控制算法以第一控制设置CS_1设定的搜索起始点执行搜索操作，来根据第二天线性能指标找到第二控制设置CS_2，其中第二天线性能指标不同于第一天线性能指标。第一控制算法控制第二控制算法的初始化。因此，第一控制设置CS_1决定第二控制算法开始搜寻第二控制设置CS_2的搜索起始点。最终控制设置CS_F是从第二控制设置CS_2导出的。例如，第二控制设置CS_2可以直接作为最终控制设置CS_F。

例如，第一天线性能指标可以是变频器增益(transducergain,TG)或相对变频器增益(relativetransducergain,RTG)，并且/或者第二天线性能指标可以是反射系数幅度/相位或电压驻波比(voltagestandingwaveratio,VSWR)。另一个例子，处理电路122可以基于第一天线性能指标通过执行分析计算来决定第一控制设置CS_1；和/或处理电路122可以基于第二天线性能指标通过执行局部最小值搜索操作来确定第二控制设置CS_2。

为了清晰和简单起见，以下假设处理电路122采用的混合控制算法包括基于RTG的搜索算法(即，第一控制算法)和基于VSWR的搜索算法(即，第二控制算法，其初始化来自第一控制算法)。应该指出的是，能够计算/测量TG值、RTG值、VSWR值和反射系数幅度/相位值的任何传统方法都可以用于阻抗调谐控制装置112。本发明对TG计算/测量、RTG计算/测量、反射系数幅度/相位计算/测量以及VSWR计算/测量没有限制。为了简化起见，省略了示例性实施方式中采用的用于计算/测量RTG值和VSWR值的进一步细节。

参照图2以及图3。图2是例示没有天线调谐器的系统的简化模型的示意图。图3是例示具有天线调谐器的系统的简化模型的示意图。如图2所示，特性阻抗为Z₀的传输线附接到阻抗为Z_L的负载(例如，天线)。反射的电压幅值与前向电压幅值的比率定义为反射系数，通常表示为符号伽马Γ。到负载的反射系数Γ_L可以表示为如果Z_L＝Z₀，则传输线是“匹配的”。在这种情况下，没有失配损耗，负载(例如，天线)从具有有限内部阻抗Z₀的源(例如，功率放大器)获得最大外部功率。天线阻抗可能会受频带变化和用户场景(例如，头部和手)变化的影响。天线调谐器可以用来调谐源和负载之间的匹配，以使到负载的传送功率最大化。即，天线调谐器的目标是最大化变频器增益G_T。天线调谐器是双端口设备，其可以使用S参数S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂来描述。变频器增益G_T被定义为因此可以使用以下公式来表示

$G_T=\frac{|S_{21}{|}^2(1-|{\mathrm{\Γ}}_S{|}^2)(1-|{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2)}{|(1-S_{11}{\mathrm{\Γ}}_S)(1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_L)-S_{21}{S}_{12}{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_S|}=\frac{|S_{21}{|}^2(1-|{\mathrm{\Γ}}_S{|}^2)(1-|{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2)}{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_{in}{|}^2|1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2}---\left(1\right)$

其中，Γ_S是天线调谐器到源的反射系数，Γ_in是源到天线调谐器的反射系数，Γ_L是天线调谐器到天线的反射系数。

如图3所示，特征阻抗为Z₀的传输线附接到阻抗为Z_s的源(例如，功率放大器)。假定是完全的源阻抗匹配(即，)，公式(1)可以被简化为： $G_T=\frac{|S_{21}{|}^2(1-|{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2)}{|1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2}---\left(2\right)$

相对换能器增益RTG被称为变频器增益改善。相对变频器增益RTG被定义为并且可以用如下公式来表示：

$RTG=\frac{|S_{21}{|}^2}{|1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2}---\left(3\right)$

如上所述的，混合控制算法包括基于RTG的搜索算法和基于VSWR的搜索算法。具体来说，处理电路122在从基于RTG的搜索算法获得期望的分析计算结果(即，第一控制设置CS_1)之后执行基于VSWR的搜索算法寻找第二控制设置CS_2。该分析计算结果(即，第一控制设置CS_1)被发送到天线调谐器132来对基于VSWR的搜索进行初始化。换句话说，基于VSWR的搜索在如下条件下被执行：天线调谐器132的设置响应于该分析计算结果(即，第一控制设置CS_1)而调整。关于基于RTG的搜索算法，处理电路122从可以使RTG值具有最大值的多个候选控制设置中寻找控制设置CS_1。

从上面的公式(3)可以看出，相对变频器增益RTG的计算需要天线调谐器132的S参数S₂₁和S₂₂的值以及天线伽马值(即，反射系数)。在该实施方式中，处理电路122可以基于检测电路116提供的检测器输入执行天线伽马估计，以测量天线伽马相位和天线伽马振幅，然后获得反射系数Γ_L的估计。由于在天线调谐器132中实施的阻抗调谐电路138的结构和电路元件值(例如，天线调谐器供应商提供的标称电感值和标称电容值)是预先知道的，因而可以获得不同的控制设置下的S参数S₂₁和S₂₂的值。假设匹配网络139具有分别由控制字CW₁至CW_N控制的N个可调电容器，并且每个可调电容器具有64个调整步骤，其中N是正整数。因此，每个可调电容器支持64个电容值，每个控制字CW₁至CW_N支持64个控制值。天线调谐器132的一个控制设置包括控制字CW₁至CW_N的值。天线调谐器132支持64^N个候选控制设置，每个候选控制设置对应于控制字CW₁至CW_N的N个值的组合。在一种示例性的设计中，可以采用穷尽搜索来检查为所有候选控制设置所计算的RTG值，然后值从计算的RTG值中找到计算的最大RTG。与计算的最大RTG值相关的候选控制设置被选择为第一控制设置CS_1。

应该注意的是，天线伽马估计并非是完美的。此外，由于制程变化和温度变化，天线调谐器132中实现的阻抗调谐电路138的标称电路元件值(例如，可调电容器的标称电容值和电感器的标称电感值)可能会与天线调谐器132中实现的阻抗调谐电路138具有的实际电路元件值不同。例如，电路元件值的偏差可能是正/负20％。由于RTG值是基于标称电路元件值和估计的天线伽马值计算的，而不是基于实际的电路元件值和实际的天线伽马值计算的，因此第一控制设置CS_1可能不是能真正实现实际的全局最大RTG值的最优控制设置。即，计算的最大RTG值是标称的全局最大RTG值，并且可能与真正的全局最大RTG值不同。

对于合理设计的天线调谐器网络，与局部最小VSWR值相关的一个或多个控制设置位于与真正的全局最大RTG值有关的最优控制设置周围。如果有一种方法来初始化与真正的全局RTG最大值有关的最优控制设置周围的起始搜索点，则局部最小VSWR搜索将会找到接近最优控制字的控制字。这可以提供能抵抗天线调谐器的电路元件变化(即，模型参数偏差)的稳健性。因此本发明提出使用基于VSWR的搜索算法寻找比第一控制设置CS_1更优的第二控制设置CS_2。

处理电路122输出第一控制设置CS_1来改变天线调谐器132的设置，接着观察VSWR的变化来进行局部最小VSWR搜索。处理电路122可以基于检测电路116提供的检测器输入计算VSWR值。另外，在使用第一控制设置CS_1作为搜索起始点之后，处理电路122可以使用任何可行的局部最小值搜索方法寻找对应于局部最小VSWR值的第二控制设置CS_2。例如，处理电路122可以被配置为使用爬山算法(hillclimbingmethod)寻找第二控制设置CS_2。在没有制程变化、温度变化和不完美的天线估计这些理想条件下，得出的第一控制设置CS_1就是最优控制字。与第一控制设置CS_1相比，第二控制设置CS_2可以非常接近最优控制字，该最优控制字几乎能实现真正的全局最大RTG值。在存在制程变化、温度变化和/或不完美的天线估计的这些实际条件下，与第一控制设置CS_1相比，第二控制设置CS_2通常更接近能真正实现真正的全局最大RTG值的最优控制字。因此，局部最小VSWR搜索是全面并且稳健的方法。

应该注意，如果没有正确地初始化搜索起始点，从随机控制设置或天线调谐器132当前使用的控制设置开始基于VSWR的搜索操作可能不会达到最优控制设置。具体地说，在天线调谐器132的所有可能控制设置所定义的VSWR表面上存在多个局部最小VSWR值。由于VSWR表面很复杂，没有适当的初始化的情况下，搜索方向可能是错的。此外，全局最小VSWR值(即，所有的局部最小VSWR值的最小值)并不总是对应于真正的全局最大RTG值。如果使用全局最小VSWR搜索，则基于全局最小VSWR值设置最终控制设置CS_F可能并不能实现真正的全局最大RTG值。

总之，本发明使用局部最小VSWR搜索而不是全局最小VSWR搜索。为了提高局部最小VSWR搜索的精度，本发明使用基于RTG的分析计算来决定局部最小VSWR搜索的搜索起始点。更具体地说，局部最小VSWR搜索比基于RTG的分析计算更稳健，并且通过基于RTG的分析计算的结果来初始化局部最小VSWR搜索的搜索起始点，使得局部最小VSWR搜索能有更好的机会达到最优控制设置。

图4是例示图1所示的处理电路122所决定的第一和第二控制设置CS_1和CS_2的示例的示意图。为了清晰和简单起见，假设天线调谐器132仅具有由两个控制字Code_1和Code_2分别控制的两个可调电容器。符号“×”表示与局部最小VSWR值相关的控制字，符号“⊕”表示与标称的全局最大RTG值相关的控制字，符号“Δ”表示与真正的全局最大RTG值相关的控制字。此外，边界表示，不论该边界内的区域中哪个点作为局部最小VSWR搜索的起始点，收敛点都是与局部最小VSWR值相关的相同控制字。由于存在多个局部最小VSWR值，使用分析计算找到的标称的全局最大RTG值可以决定哪个局部最小VSWR值是局部最小VSWR搜索需要搜寻的目标。换句话说，使用第一控制设置CS_1作为搜索起始点可以确保局部最小VSWR搜索的正确搜索区域/方向。与基于标称电路元件值的分析计算相比，利用局部最小VSWR搜索的混合算法对于抵抗电路元件变化或天线估计的误差是更稳健的。因此，通过适当的初始化，局部最小VSWR搜索可以获得接近最佳控制设置CS_optimal的控制设置(即，CS_2)。

图5是例示根据本发明的实施方式的阻抗调谐控制方法的流程图。阻抗调谐控制方法可以用于图1所示的用于天线调谐的阻抗调谐控制装置112。只要结果基本上相同，则不需要严格按照图5所示顺序执行这些步骤。阻抗调谐控制方法可以简要地概括为如下。

步骤502：执行天线变化检测。

步骤504：检查天线变化事件是否发生。如果是，执行步骤506；否则，执行步骤502。

步骤506：禁用天线变化检测。

步骤508：执行天线估计。

步骤510：执行基于RTG的分析计算以寻找第一控制设置。

步骤512：以第一控制设置设定的搜索起始点执行局部最小VSWR搜索以寻找第二控制设置。

步骤514：从第二控制设置导出最终控制设置。例如，第二控制设置可以直接用作目标控制设置。

步骤516：向天线调谐器输出最终控制设置。

步骤518：启用天线变化检测，并执行步骤502。

天线加载可能会由于某些因素而改变。例如，当人体条件不同和/或环境条件不同时，天线加载可能会不同。因此，为了保持天线性能处于期望的水平，应当调整应用于天线调谐器132的当前控制设置以应对天线变化事件。相反，当未检测到天线变化事件时，应用于天线调谐器132的当前控制设置保持不变。例如，处理电路122执行的天线变化检测可以通过检测是否存在表示天线变化事件的大的功率变化来实现。在示例设计中，天线变化检测可以通过检测测量的VSWR值的变化来实现。在检测到当前的天线变化事件后，天线变化检测被禁用，并且在最终的控制设置被发送到天线调谐器132以应对当前的天线变化事件之后，天线变化检测被启用。本领域技术人员在阅读上述段落后能够很容易地理解图5所示每个步骤的细节，为了简便起见，省略了进一步描述。

正如上面提到的，天线估计(步骤508)由处理电路122执行，以估计在确定第一控制设置CS_1时涉及的天线伽马(即，反射系数)。因此，第一控制设置CS_1的精度取决于正确的天线估计。由于第一控制设置CS_1作为基于VSWR的局部最小值搜索操作的搜索起始点，因而第二控制设置CS_2的精度也取决于正确的天线估计。处理电路122将根据检测电路116产生的检测器输入生成测量的反射系数，这与天线反射系数有很大不同，因为它可能会受到天线与检测器输入之间的所有模块的影响。例如，天线与检测器输入之间的模块可以包括耦合器、传输线和天线调谐器132。本发明还提出了对测量的反射系数的补偿，以提高天线估计精度。

为了减轻天线与检测器输入之间所有模块造成的影响，本发明提出对测量的反射系数采用补偿。例如，处理电路122获得测量的反射系数，并通过根据耦合器117的至少一个因素来补偿测量的反射系数，生成在确定第一控制设置CS_1时涉及的经补偿的反射系数(即，估计的天线反射系数)。例如，耦合器117的至少一个因素可以包括S参数S₂₁和方向性D。当在天线估计中考虑耦合器117(4端口设备)的S参数时，测量的反射系数和经补偿的反射系数Γ_L之间的关系可以用以下公式表示。

${\mathrm{\Γ}}_L=\frac{1}{S_{21}}\frac{S_{31}{\widehat{\mathrm{\Γ}}}_L-S_{41}}{(S_{42}-S_{32}{\widehat{\mathrm{\Γ}}}_L)+\frac{S_{22}{S}_{31}}{S_{21}}{\mathrm{\Γ}}_L-\frac{S_{22}{S}_{41}}{S_{21}}}---\left(4\right)$

由于耦合器117的一些S参数通常被设计为小于或接近1，公式(4)可以被简化为：

${\mathrm{\Γ}}_L\≈\frac{1}{S_{21}}({\widehat{\mathrm{\Γ}}}_L-D)---\left(5\right)$

其中耦合器方向性D等于S₄₁/S₃₁。在一种示例设计中，在公式(5)中的S参数S₂₁和方向性D可以由耦合器供应商提供的标称值直接设定，以补偿耦合器的影响。在另一种示例设计中，S参数S₂₁和方向性D的值可以被校准，并接着用于公式(5)以补偿耦合器的影响。优选的，S参数S₂₁和方向性D的不同的值用于不同的频率。例如，处理电路122可以包括S参数表格，记录由不同频率(例如，低频、中频、高频)索引的多个标称值，处理电路122可以进一步包括方向性表格，记录由不同频率(例如，低频、中频、高频)索引的多个标称值。

应该注意，使用补偿来减轻天线与检测器输入之间的耦合器117所造成的影响，仅仅是本发明的一个实施方式。可以采用上面提到的相同补偿思想来减轻天线与检测器输入之间的任何模块造成的影响。这也落入本发明的范围。

为了减轻天线调谐器132中电路元件变化(例如，可调电容器的电容变化)造成的影响，本发明提出，通过预定义的控制设置CS_Z配置天线调谐器132。例如，处理电路122生成经由输出电路124至天线调谐器132的预定义控制设置CS_Z，并且当天线调谐器132由该预定义控制设置CS_Z进行配置时，处理电路122执行天线估计来确定在确定第一控制设置CS_1时涉及的天线反射系数。在一种示例设计中，天线调谐器132中的至少一个可调元件被配置为具有最小的元件值以响应预定义的控制设置CS_Z。例如，匹配网络139中至少部分(即，部分或全部)可调电容器可以被控制为具有最小的电容值。应该注意，应当基于天线调谐器104中使用的每个可调电容器的电容器模型来配置预定义的控制设置CS_Z。例如，使用SOI(绝缘体上硅结构)电容器来实现可调电容器。除了SOI电容器外，大多数商业上的可调电容器是由几对并联的小电容器构成，并且一个可调电容器的电容值取决于每个小电容器的开/关状态。开状态和关状态的小电容器的导纳可以分别被近似建模为Ya_on和Ya_off。此外，可调电容器的导纳等于所有小电容器的导纳的总和。因此，可调电容器的近似模型可以表示为如下公式。

Ya＝(Ya_on-Ya_off)×code_word+max_code_word×Ya_off(6)

在上述公式(6)中，电容值Ya由参数Ya_on、Ya_off、控制字的值code_word和控制字的最大值max_code_word确定。显然，当控制字的值code_word被设置为零时，与开状态相关的参数(通常具有更大的变化量)是无效的，而与关状态相关的参数(通常具有较小的变化量)是有效的。因此，电容的变化所带来的影响可以被减轻或避免。基于这种观点，在预定义的控制设置CS_Z的控制下，每个控制字CW₁至CW_N可以被设定为零值。通过这种方式，可以获得更准确的天线估计结果。

正如上面提到的，处理电路122可以采用爬山算法在局部最小VSWR搜索过程期间寻找第二控制设置CS_2。然而，搜索变量的数量通常多于一个。考虑这种情况：匹配网络139具有由控制字CW₁至CW_N(N＝3)控制的三个可调电容器。因此，搜索维度的数量等于3，并且每个控制设置是控制字CW₁至CW_N的组合。因此，爬山算法的迭代最多需要检查在当前候选控制设置周围的6个候选控制设置，以决定从当前候选人控制设置开始的搜索方向。当搜索维度的数量较大时，计算工作量显著增加。

为了简化局部最小VSWR搜索，本发明提出了，当第一控制设置CS_1中码字具有边界值(例如，最小值或最大值)时，在一个搜索维度上固定码字的值。这是基于如下关键的观点：通过合理的变化度，只要最优控制设置CS_optimal具有的一个或多个码字的边界值，第一控制设置CS_1在与CS_optimal相同的位置也具有边界值。因此，当第一控制设置CS_1中的控制字由其边界值进行设置时，由局部最小VSWR搜索检查的每个候选控制设置，可以故意被设置为具有固定在边界值的一部分控制字。由于在局部最小VSWR搜索期间不需要检查控制字的具有固定边界值的其他值，因而搜索维度的数量减少。具体地说，局部最小VSWR搜索只需要搜寻最初没有边界值的任何码字。计算工作量也相应地减少。

局部最小值搜索效率可以通过修整(pruning)进一步提高。例如，假设在特定的天线加载下，由局部最小值搜索操作先前检查的特定候选控制设置使得第二天线性能指标具有超出预定范围(例如，VSWR值太大)的度量值，处理电路122通过删掉对应于该天线加载的候选控制设置的搜索列表L₁中特定候选控制设置，生成该对应于天线加载的候选控制设置的搜索列表L₁。通过这种方式，由局部最小值搜索操作检查的候选控制设置的数量降低，从而提高了搜索效率。此外，处理电路122可以通过如下方式动态地维护对应于特定天线加载的不利(unfavorable)的控制设置的列表L₂：向该列表L₂添加特定候选控制设置。因此，处理电路122可以参考列表L₂，来阻止在特定天线加载下特定候选控制设置被再次检查。举例，但不限制于，处理电路122可以参考列表L₂删掉搜索列表L₁中特定的候选控制设置。此外，对于不同的天线加载，处理电路122可以动态地加载和使用不利的控制设置的相应列表。

对于每个天线变化事件，需要执行局部最小VSWR搜索的初始化，由于分析计算使用穷举搜索，因而是这计算密集型任务。处理电路122可能需要很长时间才能找到用于每个天线变化事件的第一控制设置CS_1。

因此，本发明提出了一种预先计算方案来节省实时的调谐时间。例如，处理电路122被进一步配置为预先计算关于至少一个天线加载和至少一个频率的至少一个控制设置，并将该控制设置存储在表格T₁中，其中根据第一天线性能指标确定该控制设置(例如，该至少一个控制设置是使用基于RTG的分析计算而预先计算的)。因此，处理电路122参考表格T₁，以从预先计算的控制设置中加载所需的第一控制设置CS_1。在内存大小不是问题的情况下，处理电路122可以预先计算关于所有天线加载和所有频率的控制设置，并将这些预先计算的控制设置存储在表格T₁。在存在内存大小问题的另一种情况下，处理电路122可以基于当前天线加载预先计算用于未来可能的天线加载的控制设置，并将这些预先计算控制设置存储在表格T₁。此外，处理电路122可以在空闲时间期间更新表格T₁。例如，当处理电路122已完成天线调谐并正在等待发生下一个天线变化事件时，处理电路122可以更新表格T1。

正如上面提到的，处理电路122可以通过检查所有的候选控制设置，采用穷尽搜索来寻找第一控制设置CS_1。考虑如下这种情况：匹配网络139具有由控制字CW₁至CW_N(N＝3)控制的三个可调电容器，并且每个可调电容器具有64个调整步骤。因此，每个可调电容器支持64个电容值，以及每个控制字CW₁至CW_N支持64个值。天线调谐器132因此支持64³个候选控制设置。

为了加快搜索速度，处理电路122可以采用分层搜索，通过仅检查一部分候选控制设置寻找第一控制设置CS_1。在一种示例设计中，分层搜索包括具有第一步长的粗搜索操作和具有第二步长的细搜索操作，其中第二步长小于第一步长。处理电路122执行粗搜索操作来根据第一天线性能指标(例如，RTG)寻找第三控制设置CS_3，然后通过第三控制设置CS_3周围的候选控制设置执行细搜索操作，以根据第一天线性能指标(例如，RTG)寻找第一控制设置CS_1。例如，第一步长是8，第二步长是1。虽然每个控制字CW₁至CW₃支持64个值，粗搜索操作只检查每个码字的8个值。因此，粗搜索操作从8³个候选控制设置中寻找第三控制设置CS_3。在第三控制设置CS_3之后，细搜索操作使用较小的步长来检查第三控制设置CS_3周围的一些候选控制设置(例如，8³个候选控制设置)，以寻找第一控制设置CS_1。例如，若第二步长为1，则检查第三控制设置CS_3周围的一些候选控制设置中的每一个。因此，为了寻找第一控制设置CS_1而检查的候选控制设置的数量被减少为8³加8³。

同样的，可以采用上述搜索维度减少技术来提高细搜索操作的搜索速度。也就是说，当第三控制设置CS_3中的控制字由边界值(例如，最小值或最大值)设定时，细搜索操作检查的每个候选控制设置因而被故意设置为具有固定在边界值的控制字。由于在细搜索期间不需要检查控制字的具有固定边界值的其他值，因而搜索维度的数量减少。具体来说，细搜索只需要搜寻第三控制设置CS_3周围的最初没有边界值的一些候选控制设置。计算工作量也相应减少。

基于源阻抗具有完全匹配，即这种假设，可以获得上述公式(2)和(3)中任何一个。然而，如果源阻抗不匹配，利用简化的公式将导致错误的控制设置和不好的RTG值。应当注意，变频器增益G_T被定义为并且可以使用下述公式表示。

$G_T=\frac{|S_{21}{|}^2(1-|{\mathrm{\Γ}}_S{|}^2)(1-|{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2)}{|(1-S_{11}{\mathrm{\Γ}}_S)(1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_L)-S_{21}{S}_{12}{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_S|}=\frac{|S_{21}{|}^2(1-|{\mathrm{\Γ}}_S{|}^2)(1-|{\mathrm{\Γ}}_L{|}^2)}{|1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_{out}{|}^2|1-S_{11}{\mathrm{\Γ}}_S{|}^2}---\left(7\right)$

因此，根据公式(1)至(7)，当天线调谐器中匹配网络的输入和输出与源阻抗和负载阻抗分别共轭匹配时，实现最大变频器增益。也就是说，当Γ_in＝Γ_S ^*和Γ_out＝Γ_L ^*时，实现最大变频器增益。如果源阻抗具有完全匹配，第二控制设置CS_2可以直接用作最终控制设置CS_F。如果源阻抗不匹配，本发明进一步提出估计源阻抗，然后根据至少第二控制设置CS_2和源阻抗估算结果寻找最终的控制设置CS_F。

估计源反射的一种策略可以使用“输出反射约等于天线反射的共轭”这一事实，即 ${{\mathrm{\Γ}}_L}^{*}\≈{\mathrm{\Γ}}_{out}=S_{22}+\frac{S_{12}{S}_{21}{\mathrm{\Γ}}_S}{1-S_{11}{\mathrm{\Γ}}_S}.$ 因此， ${\mathrm{\Γ}}_S=\frac{{{\mathrm{\Γ}}_L}^{*}-S_{22}}{({{\mathrm{\Γ}}_L}^{*}-S_{22})S_{11}+S_{12}{S}_{21}}.$

估计源阻抗的另一种策略是使用入射至天线调谐器中匹配网络的前向入射功率波的幅度(即，|b₁'|)，来确定源阻抗的实部R_S。例如，可以使用下面的公式估计源阻抗。

$\[1-({\mathrm{\Γ}}_{in}+{{\mathrm{\Γ}}_{in}}^{*})\]{R_S}^2+2R_S{Z}_0-2{\mathrm{jZ}}_0({\mathrm{\Γ}}_{in}-{{\mathrm{\Γ}}_{in}}^{*})I_S+\[1+({\mathrm{\Γ}}_{in}+{{\mathrm{\Γ}}_{in}}^{*})\]{Z_0}^2-\frac{Z_0}{|{b_1}^{\′}{|}^2}=0---\left(8\right)$

事实上，只有入射波的幅度(即，|b₁'|)能被可靠地估计。因此，只可以计算源阻抗的实部R_S(或虚部I_S)。当(Γ_in-Γ_in ^*)很小时，上面的公式(8)可以简化为如下。

$\[1-({\mathrm{\Γ}}_{in}+{{\mathrm{\Γ}}_{in}}^{*})\]{R_S}^2+2R_S{Z}_0+\[1+({\mathrm{\Γ}}_{in}+{{\mathrm{\Γ}}_{in}}^{*})\]{Z_0}^2-\frac{Z_0}{|{b_1}^{\′}{|}^2}=0---\left(9\right)$

因此，本发明可以在局部最小VSWR搜索找到使Γ_in很小的第二控制设置CS_2后，执行源阻抗估计。当不可能选择进行源阻抗估计时，使用简化的变频器增益公式，并且处理电路122输出第二控制设置CS_2作为最终控制设置CS_F。当可以选择进行源阻抗估计时，在获得源阻抗估算的结果后，使用完整的变频器增益公式。例如，当天线调谐器132由第二控制设置CS_2进行配置时处理电路122估计源阻抗，根据第一天线性能指标(例如，RTG)和源阻抗估计结果确定第三控制设置CS_3’，并以第三控制设置CS_3’设定的搜索起始点来执行另一个搜索操作(例如，局部最小VSWR搜索)，以根据第二天线性能指标(例如，VSWR)寻找最终控制设置CS_F。在源阻抗估计之前执行的第一局部最小VSWR搜索是使得反射系数Γ_in接近最小值，而在源阻抗估计之后执行的第二局部最小VSWR搜索是使得反射系数Γ_in接近反射系数Γ_S的共轭。通过这种方式，可以在源阻抗不匹配的情况下找到更好的控制值。

当考虑源阻抗不匹配时，可以使用图6所示的以下步骤来实现步骤514。图6是例示图5所示步骤514的替代设计的示意图。

步骤602：执行源阻抗估计。

步骤604：在基于RTG的分析计算中使用源阻抗估计结果，寻找第三控制设置。

步骤606：以第三控制设置设定的搜索起始点执行另一个局部最小VSWR搜索，以寻找最终控制设置。

本领域技术人员能够容易地理解图6所示每个步骤的细节，因而为了简便起见，省略了进一步描述。

总的来讲，所提出的通过局部最小VSWR搜索以及分析计算得出初始化的闭环天线调谐，能够找到用于天线调谐器的适当的控制设置。通过分析计算提供的初始化(即，搜索起始点的设置)，局部最小VSWR搜索更有可能收敛到接近最优控制设置的控制设置。与分析计算相比，局部最小VSWR搜索对于抵抗天线调谐器的参数偏差或天线阻抗估计的错误更稳健。因此，提出的混合控制算法结合了局部搜索和分析计算的益处。进一步，提出的混合控制算法可以被修改成包括源阻抗估计，以有效地处理源阻抗(例如，PA输出阻抗)不等于传输线的特性阻抗的情况。

本领域技术人员将容易注意到，在保持本发明的教导的同时，可以对装置和方法做出大量修改和变化。因此，上述公开内容应当被理解为仅由权利要求的范围限制。

Claims (30)

1.一种阻抗调谐控制装置，其特征在于，该阻抗调谐控制装置包括：

处理电路，被配置为根据第一性能指标确定第一控制设置，并以所述第一控制设置设定的搜索起始点执行搜索操作，以根据与所述第一性能指标不同的第二性能指标寻找第二控制设置；以及

输出电路，被配置为向调谐器输出最终控制设置，其中所述最终控制设置是从所述第二控制设置中导出的。

2.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述第一性能指标包括变频器增益或相对变频器增益。

3.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述处理电路通过基于所述第一性能指标执行分析计算来确定所述第一控制设置。

4.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述第二性能指标包括电压驻波比或反射系数幅度/相位。

5.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述搜索操作是局部最小值搜索操作。

6.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述处理电路进一步被配置为执行天线估计来确定测量的反射系数，并通过根据天线与检测器输入之间至少一个模块的至少一个因素来补偿所述测量的反射系数，以生成在确定所述第一控制设置中所涉及的估计的反射系数。

7.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述处理电路进一步被配置为生成经由所述输出电路至所述调谐器的预定义控制设置，并当所述调谐器由所述预定义控制设置进行配置时，所述处理电路执行天线估计来确定在确定所述第一控制设置中涉及的反射系数。

8.根据权利要求7所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述调谐器中的至少一个可调元件被配置为具有最小的元件值，以响应所述预定义控制设置。

9.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，每个控制设置包括所述调谐器中相应可调元件的至少一个控制字；当所述第一控制设置中的所述控制字由边界值设定时，所述搜索操作检查的每个候选控制设置具有固定在所述边界值的控制字。

10.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，在加载下由所述搜索操作先前检查的候选控制设置使所述第二性能指标具有超出预定范围的度量值，所述处理电路进一步被配置为通过在与所述加载对应的候选控制设置的搜索列表中删掉所述候选控制设置，来生成所述搜索列表。

11.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，在加载下由所述搜索操作先前检查的候选控制设置使所述第二性能指标具有超出预定范围的度量值，所述处理电路进一步被配置为通过向与所述加载对应的不利的控制设置的列表添加所述候选控制设置，来动态地维护所述不利的控制设置的列表，并参考所述不利的控制设置的列表来阻止在所述加载下所述候选控制设置被再次检查。

12.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述处理电路进一步被配置为预计算与至少一个加载和至少一个频率相关的至少一个控制设置，其中根据所述第一性能指标确定所述至少一个控制设置；并且所述处理电路进一步被配置为从所述至少一个控制设置加载所述第一控制设置。

13.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，所述处理电路还被配置为执行粗搜索操作以根据所述第一性能指标寻找第三控制设置，并通过所述第三控制设置周围的候选控制设置执行细搜索操作，以根据所述第一性能指标寻找所述第一控制设置；所述细搜索操作使用的第二步长小于所述粗搜索操作使用的第一步长。

14.根据权利要求13所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，每个控制设置包括所述调谐器中相应可调元件的至少一个控制字；并且当所述第三控制设置中的所述控制字由边界值设定时，所述细搜索操作检查的每个候选控制设置具有固定在所述边界值的控制字。

15.根据权利要求1所述的阻抗调谐控制装置，其特征在于，当所述调谐器由所述第二控制设置进行配置时，所述处理电路被进一步配置为估计源阻抗，根据所述第一性能指标和源阻抗估计结果确定第三控制设置，并以所述第三控制设置设定的搜索起始点执行另一个搜索操作，以根据所述第二性能指标寻找所述最终控制设置。

16.一种阻抗调谐控制方法，其特征在于，所述方法包括:

根据第一性能指标确定第一控制设置；

以所述第一控制设置设定的搜索起始点执行搜索操作，以根据与所述第一性能指标不同的第二性能指标寻找第二控制设置；以及

基于从所述第二控制设置导出最终控制设置控制调谐器。

17.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，所述第一性能指标包括变频器增益或相对变频器增益。

18.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，确定所述第一控制设置包括：

通过基于所述第一性能指标执行分析计算来确定所述第一控制设置。

19.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，所述第二性能指标包括电压驻波比或反射系数幅度/相位。

20.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，所述搜索操作是局部最小值搜索操作。

21.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，该阻抗调谐控制方法进一步包括：执行天线估计以确定测量的反射系数；以及通过根据天线与检测器输入之间至少一个模块的至少一个因素来补偿所述测量的反射系数，以生成在确定所述第一控制设置中所涉及的估计的反射系数。

22.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，该阻抗调谐控制方法进一步包括：

生成至所述调谐器的预定义控制设置；以及

当所述调谐器由所述预定义控制设置进行配置时，执行天线估计来确定在确定所述第一控制设置中涉及的反射系数。

23.根据权利要求22所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，所述调谐器中的至少一个可调元件被配置为具有最小的元件值，以响应所述预定义控制设置。

24.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，每个控制设置包括所述调谐器中相应可调元件的至少一个控制字；执行所述搜索操作还包括：

当所述第一控制设置中的所述控制字由边界值设定时，保持所述搜索操作检查的每个候选控制设置的控制字固定在所述边界值。

25.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，在加载下由所述搜索操作先前检查的候选控制设置使所述第二性能指标具有超出预定范围的度量值；执行所述搜索操作还包括：

通过在与所述加载对应的候选控制设置的搜索列表中删掉所述候选控制设置，来生成所述搜索列表。

26.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，在加载下由所述搜索操作先前检查的候选控制设置使所述第二性能指标具有超出预定范围的度量值，所述阻抗调谐控制方法还包括：

通过向与所述加载对应的不利的控制设置的列表添加所述候选控制设置，来动态地维护所述不利的控制设置的列表；以及

参考所述不利的控制设置的列表来阻止在所述加载下所述候选控制设置被再次检查。

27.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，确定所述第一控制设置包括：

预计算与至少一个加载和至少一个频率相关的至少一个控制设置，其中根据所述第一性能指标确定所述至少一个控制设置；以及

从所述至少一个控制设置加载所述第一控制设置。

28.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，粗搜索操作具有第一步长；细搜索操作具有小于所述第一步长的第二步长；并且根据所述第一性能指标确定所述第一控制设置包括：

执行所述粗搜索操作以根据所述第一性能指标寻找第三控制设置；以及

通过所述第三控制设置周围的候选控制设置执行所述细搜索操作，以根据所述第一性能指标寻找所述第一控制设置。

29.根据权利要求28所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，每个控制设置包括所述调谐器中相应可调元件的至少一个控制字；并且当所述第三控制设置中的所述控制字由边界值设定时，所述细搜索操作检查的每个候选控制设置具有固定在所述边界值的控制字。

30.根据权利要求16所述的阻抗调谐控制方法，其特征在于，该阻抗调谐控制方法进一步包括：

当所述调谐器由所述第二控制设置进行配置时，估计源阻抗；

根据所述第一性能指标和源阻抗估计结果确定第三控制设置；以及

以所述第三控制设置设定的搜索起始点执行另一个搜索操作，以根据所述第二性能指标寻找所述最终控制设置。