CN106558763A - 天线自适应匹配电路及具有该电路的移动通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有天线自适应匹配电路的移动通信终端，包括隔直电容、变容管和一个可根据天线的工作频率输出与之对应幅值的直流电压的控制电路；天线通过所述的隔直电容连接变容管，所述变容管的负极连接所述的控制电路，根据所述控制电路调制到其负极的直流电压大小来改变其内部结电容的容量，进而改变整个匹配电路的输入阻抗，由此可以消除天线的输入电抗成分，使输入阻抗尽可能是纯电阻并接近馈线的特性阻抗，从而可以让天线工作在最佳谐振频点，实现提高天线性能的设计目的。将该电路应用于移动通信终端中，可以在天线尺寸、周围环境受限的情况下，尽量提高天线在整个工作带宽内的性能，进而保证移动通信终端的通信质量。

Description

天线自适应匹配电路及具有该电路的移动通信终端

技术领域

本专利属于移动通信设备技术领域，具体地说，是涉及一种天线匹配电路的自适应设计方案以及采用该天线自适应匹配电路所设计的移动通信终端。

背景技术

在任何移动终端中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。天线的作用就是将高频电磁波转化为高频信号电流，将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字信号或模拟信号。从本质上讲，天线就是一种换能装置，或者叫能量转换装置，它是外部空间电磁波或者电磁场与内部电路联系的桥梁和纽带，没有天线也就没有无线通信。

随着通讯技术的不断发展，特别是3G标准的运行，现代手机设计越来越向多频段、多模式、小型化等方向发展，在这种情况下对天线的尺寸、环境要求更高，需要更宽的工作频带，手机天线设计也面临越来越多的挑战。与基站天线等设计不同，作为手机电路里需要单独设计和调试的部件，手机天线设计受周围环境的制约，需要考虑的因素很多，天线周围的器件的板层结构、机壳材质等都会对天线性能产生直接影响。

在此种情况下，为了保证通信效果，必须有一种方法提高天线性能。目前常用的措施是：、尽量给天线提供好的工作环境。由于天线所能达到的最大带宽与天线占用的空间成正比，因此，对于天线设计而言，要获得大的带宽，必须保证为天线预留足够的空间。但是，这样势必会使手机尺寸加长加厚，从而影响了手机的美观和时尚型。2、做折衷处理。即尽量使整个工作带宽内的某段频带性能最优，保证天线在这段频带内输入阻抗是纯电阻，接近50ohm阻抗。但是，对于目前的三频、四频甚至更多频手机来说，不能保证整个工作带宽的天线性能，进而影响了手机的整体性能和通信质量。

专利内容

本专利的目的在于提供一种可以根据移动通信终端工作频段的改变而自动更改天线匹配电路的输入阻抗的天线自适应匹配电路，在天线尺寸、周围环境受限的情况下，尽量提高天线在整个工作带宽内的性能，保证移动通信终端的通信质量。

为解决上述技术问题，本专利采用以下技术方案予以实现：

一种天线自适应匹配电路，包括隔直电容、变容管和一个可根据天线的工作频率输出与之对应幅值的直流电压的控制电路；天线通过所述的隔直电容连接变容管，所述变容管的负极连接所述的控制电路，根据所述控制电路调制到其负极的直流电压大小来改变其内部结电容的容量，进而改变整个匹配电路的输入阻抗，达到良好匹配的设计目的。

进一步的，在所述控制电路中包含有一处理器，所述处理器根据天线的工作频率确定与之对应的直流电压的幅值，进而将所述直流电压的幅值输出至一数模转换器以转换生成相应幅值的模拟直流电压，输出至所述的变容管。

又进一步的，在所述控制电路中还包含有一寄存器，所述寄存器可以内置于处理器中或者外接所述的处理器，所述处理器根据天线的工作频率查找寄存器中保存的频率/电压参数表，进而确定所要输出的直流电压的幅值。

再进一步的，为了使天线阻抗匹配在频带内的变化相对均衡一些，以得到满意的匹配效果，针对实际应用的PCB板的具体情况，可以在所述变容管的负极与所述的控制电路之间选择连接一级或者多级L型匹配电路或者II型匹配电路；所述L型匹配电路或者II型匹配电路可以具体采用电感和电容构建形成。

更进一步的，所述天线和天线开关模块之间也可以连接一级或者多级由电感和电容组成的L型匹配电路或者II型匹配电路，以提高匹配效果。

结合上述天线自适应匹配电路结构，本专利又提供了一种采用所述自适应匹配电路设计的移动通信终端，包括天线、天线开关模块和基带处理器，将所述自适应匹配电路连接在天线和天线开关模块之间，首先利用天线自适应匹配电路中的隔直电容将基带处理器输出的直流成分滤除后，传输至所述的变容管，以防止直流成分影响到发射或接收的高频信号；然后利用一个可根据天线的工作频率输出与之对应幅值的直流电压的控制电路来改变调制到所述变容管负极的电压值，进而使变容管内部的结电容容量随之变化，以实现整个匹配电路输入阻抗的改变，使天线能够工作在最佳谐振频点。

为了节约所述移动通信终端的硬件电路成本，所述控制电路优选采用移动通信终端内部原有的基带处理器和数模转换器组建实现。所述数模转换器可以内置于基带处理器中，即采用内置有数模转换器的基带处理器来设计所述的控制电路；也可以采用独立的数模转换器外接所述的基带处理器，以形成所述的控制电路。

与现有技术相比，本专利的优点和积极效果是：本专利的天线自适应匹配电路可以随天线的当前工作频点的变化而使天线匹配电路的输入阻抗随之更改，由此可以消除天线的输入电抗成分，使输入阻抗尽可能是纯电阻并接近馈线的特性阻抗，从而可以让天线工作在最佳谐振频点，实现提高天线性能的设计目的。将所述天线自适应匹配电路应用于目前的移动通信终端中，可以在天线尺寸、周围环境受限的情况下，尽量提高天线在整个工作带宽内的性能，进而可以保证移动通信终端的通信质量。

结合附图阅读本专利实施方式的详细描述后，本专利的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本专利所提出的天线自适应匹配电路的一种实施例的电路原理图；

图2是本专利所提出的天线自适应匹配电路的另外一种实施例的电路原理图；

图3是两级L型匹配电路的原理图；

图4是一级II型匹配电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本专利的具体实施方式进行详细地描述。

实施例一，本实施例为了使天线匹配电路具有自适应能力，即可以根据移动通信终端工作频段的改变而自动地调整天线匹配电路的输入阻抗，并以此来消除天线的输入电抗成分，达到良好的匹配效果，提出了如图1所示的天线自适应匹配电路结构，包括隔直电容C变容管D和控制电路。所述隔直电容C连接在天线和变容管D的负极之间，将基带处理器输出的直流成分滤除后，传输至所述的变容管D，以防止直流成分对发射或接收的高频信号造成影响。所述变容管D的正极接地，负极连接控制电路的其中一路直流电压输出端。所述控制电路是一个可以根据天线的工作频率产生并输出与之对应幅值的直流电压的模块电路，可以采用分立元器件或者集成处理芯片等多种形式组建形成，本实施例对此不进行具体限制。

当移动通信终端工作时，控制电路根据天线当前的工作频率确定需要输出的直流电压幅值，进而生成相应幅值的直流电压VOUT调制到变容管D的负极。所述变容管D根据调制到其负极的电压值大小来改变其内部PN结电容的容量，进而通过其自身参数的改变实现整个天线匹配电路输入阻抗的变化，使输入阻抗尽可能是纯电阻并接近馈线的特性阻抗，从而使其与发射机或者接收机相匹配，有效完成能量转换功能。

下面以手机为例，详细阐述所述天线自适应匹配电路的具体设计方法及工作原理。

为了使本实施例的控制电路能够根据天线当前工作频率的改变自适应地改变其输出的直流电压幅值，需要事先确定频率与电压幅值之间的对应关系。其设计方法是：首先在手机整个工作带宽内的几个频率点上测量或计算天线输入阻抗的数值，以获得天线工作频率与输入阻抗之间的关系曲线图，记为阻抗/频率关系图，此过程可以具体采用矢量网络分析仪通过实验测试的方法来完成。其次，形成天线工作频率与控制电路输出直流电压幅值之间的参数对照表，记为频率/电压参数表；此过程可以根据在先获得的阻抗/频率关系图，使用史密斯圆图，调整控制电路输出的直流电压值VOUT，利用变容管D具有PN结之间电容可变的原理，随着电压值VOUT的不同天线匹配电路的输入阻抗相应更改，调整此电压值VOUT直到消除天线的输入电抗成分，使输入阻抗尽可能是纯电阻并接近馈线的特性阻抗，将确定后的电压值VOUT填入频率/电压参数表；改变频率，重复该过程，以完成所述的频率/电压参数表。然后，将测试得到的频率/电压参数表存入手机内存中，以备控制电路日后调用。

上述各过程在手机出厂前由调试人员完成。对于天线当前工作频率的检测，可以采用手机中的射频收发模块来完成。

当用户使用手机进行通讯时，手机中的射频收发模块与基站建立通信，由基站来为其分配信道，确定工作频率，并将该信息发送至手机。手机中的射频收发模块在接收到该信息后，将工作频率传输至控制电路。所述控制电路根据接收到的工作频率查找频率/电压参数表，以确定其需要输出的直流电压VOUT的幅值，使天线能够工作在最佳谐振频点，进而达到良好匹配的设计目的，实现天线性能的显著提高。

上述天线自适应匹配过程具体包括以下步骤：

101、判断是否需要更改天线匹配参数；

即根据目前的手机工作频率确认是否需要更改天线匹配参数，如果需要，则执行步骤102；如果不需要，则跳转至步骤104。

102、调整自适应匹配电路的控制电压，即调整自适应匹配电路中控制电路输出的直流电压的幅值；

具体来讲，可以通过控制电路来查找手机内存中事先保存的频率I电压参数表，进而根据目前天线的工作频率来确定与之对应的直流电压幅值，通过控制电路产生并输出所述幅值的直流电压，调制到变容管D的负极上。

103、完成天线自适应匹配；

即通过改变变容管D内部PN结电容的容量，使整个匹配电路的输入阻抗随之更改，使天线在工作频率处电气性能满足较理想的要求，完成天线自适应匹配。

104、确定目前手机工作频率是否改变；

即确定手机当前的工作频率是否发生了变化，如果改变，则返回执行步骤101，以便确认目前的频率变化是否需要更改天线匹配参数；如果未改变，则重复执行步骤104，继续判断。

将图1所示的天线自适应匹配电路连接在手机天线与天线开关模块之间，通过手机内部射频收发模块调制输出的射频信号经过天线开关模块处理后，通过天线自适应匹配电路和天线发射到空间无线信道，而从空间无线信道传送来的射频信号通过天线和天线自适应匹配电路接收后，经过天线开关模块处理后送入射频收发模块，利用射频处理芯片进行解调处理。

实施例二，由于天线自适应匹配电路的设计和计算与负载阻抗有密切关系，并不是任意的天线阻抗都可以通过改变变容管D的PN结电容容量即可实现天线的自适应匹配，因此，必须根据实际使用PCB板的具体情况对天线采用适当的电阻加载或是设计一个附加网络，使天线阻抗匹配在频带内的变化相对均衡一些，以得到满意的匹配效果。

基于此，本实施例在实施例一所示匹配电路的基础上，根据PCB的具体特性又增设了两路L型匹配电路，参见图2所示。其中一路L型匹配电路由电感L1和电容C1组成，连接在天线与天线开关模块之间；另外一路L型匹配电路由电感L2和电容C2组成，连接在变容管D的负极与控制电路之间。当然，所述L型匹配电路也可以仅设置一路；或者设置成多级L型匹配电路，如图3所示的两级L型匹配电路；亦或者设计成如图4所示的II型匹配电路，所述II型匹配电路也可以采用一级或者多级形式进行设计，需要视PCB的实际情况具体确定。

在本实施例中，所述控制电路以处理器为例进行具体描述。将频率/电压参数表保存在处理器内部的寄存器中，当天线的工作频率发生改变时，处理器内部的CPU对所述寄存器进行访问，根据天线当前的工作频率查找寄存器中保存的频率/电压参数表，进而确定所要输出的直流电压VOUT的幅值。CPU将该幅值的直流电压所对应的数字信号传输至模数转换器DAC进行数字信号到模拟信号的转换，进而生成相应幅值的模拟直流电压VOUT调制到变容管D的负极，利用变容管D具有PN结之间电容可变的特性，来改变天线匹配电路的输入阻抗，进而达到消除天线的输入电抗成分，使天线工作在最佳谐振频点的设计目的。

当然，所述频率/电压参数表也可以保存在处理器外部的寄存器中，采用外接方式实现处理器与寄存器之间的连接通信。所述模数转换器DAC可以内置于处理器中，即采用内置有模数转换器DAC的处理器来设计所述的控制电路；也可以通过外接的方式在处理器的数据输出端口上连接一个独立的模数转换器，来形成所述的控制电路。

对于手机电路来说，为了节约手机的硬件电路成本，所述处理器可以采用手机内部原有的基带处理器实现。

本专利的天线自适应匹配电路的可调范围将完全取决于变容管D的变容范围。实践证明：一般选取变容范围在10PF以上变容管来设计所述的天线自适应匹配电路可以保证获得良好的匹配效果。

当然，以上所述仅是本专利的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种天线自适应匹配电路，其特征在于：包括隔直电容、变容管和一个可根据天线的工作频率输出与之对应幅值的直流电压的控制电路；天线通过所述的隔直电容连接变容管，所述变容管的负极连接所述的控制电路。

2.根据权利要求1所述的天线自适应匹配电路，其特征在于：在所述控制电路中包含有一处理器，所述处理器根据天线的工作频率输出与之对应的直流电压的幅值至一数模转换器，转换生成相应幅值的模拟直流电压，输出至所述的变容管。

3.根据权利要求2所述的天线自适应匹配电路，其特征在于：在所述控制电路中还包含有一保存有频率/电压参数表的寄存器，所述寄存器内置于处理器中或者外接所述的处理器。

4.根据权利要求1或2或3所述的天线自适应匹配电路，其特征在于：在所述变容管的负极与所述的控制电路之间连接有一级或者多级由电感和电容组成的L型匹配电路或者II型匹配电路。

5.根据权利要求4所述的天线自适应匹配电路，其特征在于：所述天线通过一级或者多级由电感和电容组成的L型匹配电路或者II型匹配电路连接天线开关模块。

6.一种移动通信终端，包括天线和天线开关模块；其特征在于：在所述天线和天线开关模块之间连接有一天线自适应匹配电路，包括隔直电容、变容管和一个可根据天线的工作频率输出与之对应幅值的直流电压的控制电路；所述天线通过隔直电容连接所述的变容管，所述变容管的负极连接所述的控制电路。

7.根据权利要求6所述的移动通信终端，其特征在于：在所述控制电路中包含有一处理器，所述处理器根据天线的工作频率输出与之对应的直流电压的幅值至一数模转换器，转换生成相应幅值的模拟直流电压，输出至所述的变容管。

8.根据权利要求7所述的移动通信终端，其特征在于：在所述控制电路中还包含有一保存有频率/电压参数表的寄存器，所述寄存器内置于处理器中或者外接所述的处理器。

9.根据权利要求6或7或8所述的移动通信终端，其特征在于：在所述变容管的负极与所述的控制电路之间连接有一级或者多级由电感和电容组成的L型匹配电路或者II型匹配电路。

10.根据权利要求9所述的移动通信终端，其特征在于：所述天线通过一级或者多级由电感和电容组成的L型匹配电路或者II型匹配电路连接天线开关模块。