CN106411284A - 一种自适应匹配电路及其阻抗优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应匹配电路及其阻抗优化方法，包括：射频收发单元，其用于实现射频信号的发送与接收；负载单元，其通过传输线与所述射频收发单元连接，所述负载单元为能量接收载体；检波单元，其设于所述射频收发单元与负载单元之间，该检波单元用于采集所述射频收发单元与所述负载单元之间传输线上能量值，并发出一检波输出信号；阻抗变换单元，其设于所述检波单元与所述负载单元之间，所述阻抗变换单元用于实现所述射频收发单元与负载单元之间的阻抗匹配；控制单元，其输入端连接所述检波单元，其输出端连接所述阻抗变换单元，所述控制单元接收所述检波输出信号并输出控制信号改变所述阻抗变换单元以实现最佳匹配。

Description

一种自适应匹配电路及其阻抗优化方法

技术领域

本发明属于高频收发电路的阻抗匹配领域，更具体地说，是一种自适应匹配电路。

背景技术

高频信号传输的时候当输入输出阻抗不匹配的时候，会发生反射效应导致输出端的能量无法有效输出到输入端，故高频线路前后级通常添加阻抗匹配电路。通常用于高频匹配的元器件为定制的电容、电感或者开路微带线、短路微带线。

在信号源和负载阻抗均保持不变的情况下，用固定匹配可以满足要求，但是在很多时候负载的阻抗会跟随环境的变化而变化。比如天线单元，通常设计天线的时候都是按照自由空间环境设计，但是当天线靠近金属、人体或者其它介电常数大于1的介质的时候，其阻抗特性将会发生变化。在这种情况下，如果电路中的匹配单元采用了恒定值，那么原本自由空间下输入、输出之间阻抗匹配的单元将不再匹配，从而降低了能量传输效率。匹配电路本身的元器件随着温度的变化特性也发生变化，同样有可能导致上述不匹配情况。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足或缺陷，提供一种自适应匹配电路，该自适应匹配电路可自动检测电路适配情况并调整匹配电路值。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种自适应匹配电路，包括：射频收发单元，其用于实现射频信号的发送与接收；负载单元，其通过传输线与所述射频收发单元连接，所述负载单元为能量接收载体；检波单元，其设于所述射频收发单元与负载单元之间，该检波单元用于采集所述射频收发单元与所述负载单元之间传输线上能量值，并发出一检波输出信号；阻抗变换单元，其设于所述检波单元与所述负载单元之间，所述阻抗变换单元用于实现所述射频收发单元与负载单元之间的阻抗匹配；控制单元，其输入端连接所述检波单元，其输出端连接所述阻抗变换单元，所述控制单元接收所述检波输出信号并输出控制信号改变所述阻抗变换单元以实现最佳匹配。

在电路匹配时，所述射频收发单元输出的高频信号电压峰值小于失配时候电压峰值。

所述检波单元由耦合器和检波器组合而成，所述检波单元在所述射频收发单元发射的时候进行检波。

所述阻抗变换单元为电容、电感、开路微带线、短路微带线的连接组合。

所述阻抗变换单元设有一变容二极管作为阻抗变换器件之一。

所述控制单元中预存有检波单元输出与实际传输效率的对应关系，该对应关系作为所述控制单元输出最佳控制信号的依据。

所述变容二极管上串联有电感，所述电感用于解决并联电容只能沿着smith导纳原图向下阻抗变换以及串联电容只能沿着smith原图向下阻抗变换问题。

本发明还公开一种具备如上所述的自适应匹配电路的阻抗优化方法，包括以下步骤：

步骤1：所述控制单元预存最佳匹配时对应的检波电路输出值与控制信号电压值，并将所述该最佳匹配时对应的检波电路输出值与控制信号电压值记为设定值；

步骤2：检波单元检测所述射频收发单元与所述负载单元之间传输线上能量值，并输出一检波输出信号，所述控制单元检测所述检波输出信号是否始终处于接近所述设定值附近；如果小于设定值则保持控制电压不变，进行步骤5；如果大于设定值则，进行步骤3；

步骤3：在可控电压范围内连续改变输出控制信号电压值，并记录对应电压值的检波电路输出；

步骤4：根据步骤3的检波器输出记录结果，与步骤1中记录的最佳匹配时候检波电路输出值比较，选择差值最小的值为当前最佳匹配值，固定用该控制电压控制所述阻抗变换单元；

步骤5：等待所述检测单元下一次检测开启。

由于采用了上述技术手段，本申请的自适应电路通过检波单元自动检测电路适配情况，并通过检波单元、控制单元和阻抗变换单元的共同作用来调整匹配电路值，可有效地避免匹配电路无法匹配的情况，提高高频信号能量的传输效率。

附图说明

图1为本申请的系统框图；

图2为本申请的一实施例的电路设计示意图。

图3为并联电容电感在smith原图上的阻抗变化趋势图；

图4为串联电容电感在smith原图上的阻抗变化趋势图；

图5为本申请自适应匹配电路的阻抗优化方法的流程示意图。

图中符号：

1.射频收发单元；2.检波单元；3.阻抗变换单元；4.负载单元；

5.控制单元。

具体实施方式

通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。

参见图1所示，图1为本申请的系统框图。本申请的自适应匹配电路包括射频收发单元1、检波单元2、阻抗变换单元3、负载单元4以及控制单元5。其中：

射频收发单元1是用于实现射频信号的发送与接收。例如蓝牙收发芯片，输出功率一般不超过10mW。在电路匹配时，所述射频收发单元输出的高频信号电压峰值小于失配时候电压峰值。

负载单元4是通过传输线与所述射频收发单元连接，所述负载单元为能量接收载体。负载单元4可以为接收端或者发射天线。

检波单元2设于所述射频收发单元与负载单元之间，该检波单元用于采集所述射频收发单元与所述负载单元之间传输线上能量值，并发出一检波输出信号。检波单元2不能对射频收发单元发出的射频信号的正常传输造成很大影响。举例：检波单元2可以是耦合器和检波器的组合，耦合器采用20dB或更高耦合比的耦合器，这样对于有效信号传输的影响将小于1％。检波器可以是峰值检波器，当射频收发单元1与负载单元4之间失配的时候传输线路上存在驻波，从而导致检波器检测到的信号值与电路匹配时候不一致，控制单元5据此来调整阻抗匹配单元3。由于接收信号一般非常微弱，本发明中检波的过程一般发生在射频收发单元1发射的时候。利用匹配电路正向传输和反向传输特性相同的特点，在收发公共端发射的最佳匹配通常适用于接收通路。

阻抗变换单元3设于所述检波单元2与所述负载单元4之间，所述阻抗变换单元3用于实现所述射频收发单元1与负载单元4之间的阻抗匹配。阻抗变换单元3可以是电容、电感、开路微带线、短路微带线的合理连接组合。本发明中引入变容二极管作为阻抗变换器件之一，控制单元5通过加在变容二极管上电压值的变化来实现阻抗匹配单元根据负载的变化动态优化调整自身阻抗值。

控制单元5的输入端连接所述检波单元2，其输出端连接所述阻抗变换单元3。所述控制单元5接收所述检波输出信号并输出控制信号改变所述阻抗变换单元3以实现最佳匹配。所述控制单元5中预存有检波单元输出与实际传输效率的对应关系，该对应关系作为所述控制单元5输出最佳控制信号的依据。

参见图2所示，图2为本申请的一实施例的电路设计示意图。在电路设计的过程中，考虑到并联电容只能沿着smith原图中导纳原图向下变换而无法匹配某些区域，可以在变容二极管上串联一颗合适值的电感来调节。

如图2所示，第二电容C2与第五电容C5为隔直电容，第一电容C1与第三电容C3为变容二极管，其电容值随着加载在其两端的电压值变化而变化，具体控制电压大小由控制单元5输出第一控制信号CTR1和第二控制信号CTR2来控制。第一电容C1、第一电感L1、第三电容C3、第二电感L2、第四电容C4共同构成阻抗变换单元。如图2所示，电路板U3和电路板U5一起构成检波单元2，其输出信号输入控制单元5。控制单元5根据检波单元2输入的信号判断当前是否负载单元4阻抗发生变化，如果变化则通过第一控制信号CTR1和第二控制信号CTR2来调整电路中第一电容C1与第三电容C3的大小。在改变控制信号的过程中检查检波单元2输入，选择与出厂记录的最佳匹配时候的输入值最小的第一控制信号CTR1和第二控制信号CTR2作为当前控制电压使用。第一电感L1和第二电感L2的作用是为了解决并联电容只能沿着smith导纳原图向下阻抗变换，串联电容只能沿着smith阻抗原图向下阻抗变换问题。关于并联电容电感和串联电容电感在smith原图上的阻抗变化趋势，可参照图3和图4。假设负载初始阻抗在途中1点位置，则先串联电感阻抗将由1点往2点变化，后调随着第一电容C1和第三电容C3的增大有2点向3点变化。变化的范围根据选择的变容二极管可变电容范围而定。

本发明还公开一种具备如上所述的自适应匹配电路的阻抗优化方法，参见图5所示，图5为本申请自适应匹配电路的阻抗优化方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：

步骤1：所述控制单元5预存最佳匹配时对应的检波电路(U3和U5)输出值与控制信号电压值，并将所述该最佳匹配时对应的检波电路输出值与控制信号电压值记为设定值。

步骤2：检波单元2检测所述射频收发单元1与所述负载单元4之间传输线上能量值，并输出一检波输出信号。所述控制单元5检测所述检波输出信号是否始终处于接近所述设定值附近。如果小于设定值则保持控制电压不变，进行步骤5；如果大于设定值则，进行步骤3。

步骤3：在可控电压范围内连续改变输出控制信号电压值，并记录对应电压值的检波电路输出。

步骤4：根据步骤3的检波器输出记录结果，与步骤1中记录的最佳匹配时候检波电路输出值比较，选择差值最小的值为当前最佳匹配值，固定用该控制电压控制所述阻抗变换单元。

步骤5：等待所述检测单元下一次检测开启。

以蓝牙天线匹配电路设计为例，具体实现阻抗匹配动态调整过程如下：

(1).产品生产阶段，记录最佳匹配时候对应的检波电路输出值与控制信号电压值；

(2).控制单元检测检波电路输出，是否始终处于接近最佳匹配时候输出值附近，如果是则保持控制电压不变，如果不是，进行(3)；

(3).在可控电压范围内连续改变输出控制信号电压值，并记录对应电压值的检波电路输出；

(4).根据(3)的检波器输出记录结果，与(1)中记录的最佳匹配时候检波电路输出值比较，差值最小的值为当前最佳匹配值，固定用此控制电压控制匹配电路中的变容二极管；

(5).间隔设定时间后，重复上述(2)～(4)，以防止天线周围环境变化导致再一次不匹配情况。

本发明最大优势是在一定范围内可以根据设备天线的安装环境调整匹配电路，优化高频信号能量传输效率，减少信号线上的反射效应，增加信号传输距离。

应理解，这些实施方式仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。此外应理解，在阅读了本申请讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种自适应匹配电路，其特征在于，包括：

射频收发单元，其用于实现射频信号的发送与接收；

负载单元，其通过传输线与所述射频收发单元连接，所述负载单元为能量接收载体；

检波单元，其设于所述射频收发单元与负载单元之间，该检波单元用于采集所述射频收发单元与所述负载单元之间传输线上能量值，并发出一检波输出信号；

阻抗变换单元，其设于所述检波单元与所述负载单元之间，所述阻抗变换单元用于实现所述射频收发单元与负载单元之间的阻抗匹配；

控制单元，其输入端连接所述检波单元，其输出端连接所述阻抗变换单元，所述控制单元接收所述检波输出信号并输出控制信号改变所述阻抗变换单元以实现最佳匹配。

2.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，在电路匹配时，所述射频收发单元输出的高频信号电压峰值小于失配时候电压峰值。

3.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述检波单元由耦合器和检波器组合而成，所述检波单元在所述射频收发单元发射的时候进行检波。

4.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述阻抗变换单元为电容、电感、开路微带线、短路微带线的连接组合。

5.根据权利要求4所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述阻抗变换单元设有一变容二极管作为阻抗变换器件之一。

6.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述控制单元中预存有检波单元输出与实际传输效率的对应关系，该对应关系作为所述控制单元输出最佳控制信号的依据。

7.根据权利要求5所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述变容二极管上串联有电感，所述电感用于解决并联电容只能沿着smith导纳原图向下阻抗变换以及串联电容只能沿着smith原图向下阻抗变换问题。

8.一种具备权利要求1至7中任一项所述的自适应匹配电路的阻抗优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：所述控制单元预存最佳匹配时对应的检波电路输出值与控制信号电压值，并将所述该最佳匹配时对应的检波电路输出值与控制信号电压值记为设定值；

步骤2：检波单元检测所述射频收发单元与所述负载单元之间传输线上能量值，并输出一检波输出信号，所述控制单元检测所述检波输出信号是否始终处于接近所述设定值附近；如果小于设定值则保持控制电压不变，进行步骤5；如果大于设定值则，进行步骤3；

步骤3：在可控电压范围内连续改变输出控制信号电压值，并记录对应电压值的检波电路输出；

步骤4：根据步骤3的检波器输出记录结果，与步骤1中记录的最佳匹配时候检波电路输出值比较，选择差值最小的值为当前最佳匹配值，固定用该控制电压控制所述阻抗变换单元；

步骤5：等待所述检测单元下一次检测开启。