CN107636894B - 维持恒定天线谐振频率和阻抗匹配的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本公开总体涉及具有一个或更多个天线，能够无线通信的任何设备，例如移动电话或可穿戴设备。通过在简单的标量天线孔径调谐系统中应用可变电抗(电容或电感元件)天线孔径调谐器，维持了在存在环境变化或头/手效应的情况下的恒定天线谐振频率。可变电抗用于响应于原本将谐振从设备的操作频率转移的外部变量调节天线的谐振频率，以保持所期望的目标频率。响应于外部产生的变化调节天线的谐振频率，维持了天线的辐射效率，同时避免了无线电装置中的天线和相应的发射/接收路径之间的阻抗失配，从而降低传输损耗。

Description

维持恒定天线谐振频率和阻抗匹配的方法和装置
技术领域
概括而言，本公开的实施例涉及具有无线调制解调器的任何设备(也简称为设备)，例如移动电话或可穿戴设备，其具有一个或更多个天线，以支持所述设备与相应的无线网络进行无线通信。
背景技术
在理想世界中，设备总是接收强的、恒定的信号。在这方面，无线信号的强度通常总是随时间改变，对于设备而言的理想世界只能在“自由空间”中找到，在“自由空间”中，设备悬浮在空气中没有运动并且与人类没有任何物理交互。由于设备的实际使用通常需要用户和设备之间的物理交互，所以理想的自由空间条件仅存在于制造设施和测试设施中。一旦在操作中以及在用户的手中，设备就会经历信号环境的变化，例如，由用户对设备的接近所引起的所谓的头/手效应。
这种头/手效应是指设备天线的电学特性的变化，导致变化的原因通常是由于用户的人体组织的接近而引起的天线的电容性负载。在自由空间中没有用户，但实际使用中，几乎总是有用户存在。在用户与设备进行物理交互或接近设备的时刻，天线的电学特性发生变化。因此，一旦进行操作，设备天线很少以理想的电学特性操作，理想的电学特性操作是在生产期间通常在自由空间中通过校准来实现和测量的。
当天线的电学特性由于环境或头/手效应而变化时，可能会严重影响天线正确发射/接收无线信号的能力，这可能会导致断开的连接、错过的呼叫、未发送/接收的消息、数据流和互联网操作的中断。这种性能下降是由于天线辐射性能的变化以及天线向设备中的发射/接收信号路径呈现的阻抗的变化。
因此，非常需要在操作期间保持天线的辐射和阻抗特性，并且补偿因与用户交互和/或环境变化而引起的辐射和阻抗特性的任何变化。
发明内容
本公开总体涉及一种设备，例如移动电话或可穿戴设备，其具有一个或更多个天线，以支持所述设备与相应的无线网络进行无线通信。通过对天线应用可变电抗(利用电容和/或电感部件)天线孔径调谐器并且将其与简单的标量反射功率测量系统结合，获得了在存在环境或头/手效应的情况下能够维持其谐振频率和阻抗的天线。可变电抗用于抵消本来会使天线谐振频率移位的、环境或头/手效应对天线电学特性的改变。在存在外部产生的天线电学特性变化的情况下维持天线的谐振频率具有两大优点：首先，维持了天线的辐射效率，第二避免了无线电装置中的天线和相应的发射/接收路径之间的阻抗失配，从而降低传输损耗。通过避免无线电装置中的天线和其余部分之间的阻抗失配，避免了传输线中的信号强度损耗，这是利用常规传输线阻抗匹配方法进行无线电装置前端的天线与其余部分之间的馈线中的动态阻抗失配纠正所需的。在一个实施例中，设备包括无线电装置前端；天线；在所述天线和所述无线电装置前端之间的传输线中的功率耦合器；以及，耦合到所述天线的电抗改变装置。
在另一实施例中，设备包括无线电装置前端；天线；在所述天线和所述前端之间的传输线中的功率耦合器；以及，耦合到所述天线的电抗改变装置，其中，检测来自天线的反射功率的简单变化，以用于改变电抗改变装置中的电抗的闭环控制过程。
在另一实施例中，设备包括无线电装置前端；天线；任何类型的接近传感器或电场感应装置；以及，耦合到所述天线的电抗改变装置，其中，检测接近度或者电场的变化用于控制改变电抗改变装置中的电抗的过程。
前述实施例中的任一个可以或者可以不包含除了本文所述的公开内容之外的如由于技术原因可以期望的、在天线和无线电装置前端之间的传输线中的固定或可变阻抗匹配网络。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参照实施例获得对以上简要概述的公开内容的更具体的描述，所述实施例中的一些在附图中示出。但是，应注意，附图仅示出了示例性实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，可以允许其他等同有效的实施例。
图1是自由空间中的设备的示意图，在此示例中设备为蜂窝电话。
图2是设备附近有手的示意图，在该示例中设备为蜂窝电话，其中手是在电学环境能够影响天线电学特性和操作的任何类型的变化的占位体。
图3是示出了设备天线的回波损耗(也称为反射功率比)测量结果和由于天线电学特性变化引起的天线的谐振频率的变化的曲线图，其中，天线电学特性变化是由于头/手效应的环境变化引起的，并且通常表现为天线电容性或电感性负载的增大或减小。
图4是在天线和无线电装置前端之间的传输线中具有阻抗匹配网络的设备的示意图。
图5是根据一个实施例的具有附接到天线(此处示出为简化的LC谐振器)的孔径的电抗调节装置的设备的示意图。
图6是无线通信信号的物理层帧的示意图。
图7是根据另一实施例的具有附接到天线孔径的电抗调节装置的设备的简化框图的示意图。
图8A示出了以三种不同谐振频率运行的一个天线的回波损耗曲线图。
图8B到8D是针对三种不同谐振频率的一个天线的不同波形的示意图。
图9是根据一个实施例的、作为可变电抗的多种可能实例中的一种的数字可变电容器(DVC)的示意图。
图10A到10C是根据一个实施例的、可以用作可变电抗的微机电设备(MEMS)的示意性剖视图。
图11到24例示了用于调节设备电容以补偿头/手效应的一个实施例。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元素。可以设想，在没有进一步记载的情况下，一个实施例的元素和特征可以有益地并入其它实施例中。
具体实施方式
概括而言，本公开涉及一种设备，例如移动电话或可穿戴设备，其具有一个或更多个天线，以支持该设备与相应的无线网络进行无线通信。通过在简单的标量反射功率测量系统中应用可变电抗(电容和/或电感元件)天线孔径调谐器，获得了维持恒定的天线谐振频率和阻抗的闭环控制方法。可变电抗用于响应于原本会使天线谐振频率移位的外部变量(例如环境或头/手效应)来调节天线的电学特性。调节天线的电抗以在存在外部变化的情况下维持天线的恒定谐振频率会维持天线辐射效率，并且避免天线阻抗和无线电装置前端中的发射/接收路径的阻抗之间的失配，从而避免了天线辐射性能的下降、无线电装置前端中的发射/接收元件性能的降低、以及由于天线和无线电装置前端之间的阻抗失配引起的传输损耗，所有这些原本都会由环境变化或头/手效应引起。
图1是在自由空间中的设备100的示意图，其中，该设备具有一个或更多个天线。设备100具有可以在设备主体外部的至少一个天线102。应理解，天线102不限于是在外部的。相反，天线102可以布置在设备主体内部。设备100可以用于通过任何无线连接发送/接收电子邮件、语音呼叫、文本消息、以及诸如互联网网页和应用程序之类的数据，其中，所述无线连接例如但不限于利用为2G、3G、4G LTE(长期演进)等分配的各频段的蜂窝服务和/或WiFi、蓝牙、NFC等一些其他无线连接类型。如图1所示，设备100在自由空间中，在自由空间中，没有其他物体(例如，人)位于干扰设备100运行的位置上。然而，当人与设备100交互时，头/手效应就会出现，并且天线102的电学特性会改变。
图2是设备100附近有一只手202的示意图。手202例示了设备100在操作期间所暴露于其中的能够对天线102的电学特性有影响的环境交互的多种可能形式中的一种。随着手202如箭头“A”所示地移动靠近设备100，天线102的电学环境改变。具体地，手202通常增加了使天线102的谐振频率移位的电容性负载，但是电学特性可能以其他方式改变，例如电容性负载减小或天线的电感性负载改变。当设备100接近用户头部(未示出)、被放置在物理对象上或接近移动对象(所有这些都会干扰天线102的电气特性)时，会发生类似的效应。随着手202如箭头“B”所示地移动远离设备100，天线102的电学特性再次改变。具体地，手的移开通常去除了使天线102的谐振频率再次移位的电容性负载，但天线的电抗负载的其他变化也是可能的。实际上，手202远离设备100移动使天线102的电学特性回到接近原始状况，其中，谐振频率返回到其电学特性被干扰之前存在的状态。根据环境及其变化的具体情况以及在操作期间用户的头/手与设备100的交互，设备100的电学环境的变化能够代表天线102的电感变化，虽然大部分情况下，该变化会导致电容变化。
图3是示出天线102的电学环境变化如何改变其谐振频率的曲线图。RF工程师通常将该曲线图称为S11“回波损耗”测量结果。回波损耗指示由于传输线的阻抗与天线的阻抗并不完全相同(通常称为阻抗失配)，正在从无线电装置的一部分(例如传输线)传送到无线电装置的另一部分(例如天线)的给定量的信号功率中有多少正在被返回/反射到其信号源。这些回波损耗图本质上是标量，因此不包含入射和反射信号功率之间的相对相位信息。曲线“C”示出了天线102在自由空间中的回波损耗。在图3给定的示例中，曲线“C”表示的回波损耗在1.2GHz最小，其通常对应于天线102的谐振频率、天线102在大部分入射能量相继被辐射出去的状态。曲线“D”示出了在头/手效应使天线102的电容变化(在该示例中为增加)时天线102的回波损耗，该变化通常导致天线102的谐振频率下移，如箭头“F”所示。一旦由头/手效应引起的电学变化已经通过对天线的电抗孔径调谐部件进行适当调节而得到补偿，或者如果环境干扰已经消失，例如头/手从天线102物理地移开，则天线102的回波损耗会返回到曲线“C”所描绘的状态。类似的，曲线“E”示出了在头/手效应使天线102的电容变化(在这种情况下为减小)时天线102的回波损耗，该变化通常导致天线102的谐振频率上移，如箭头“G”所示。
现在考虑另一种情况，其中，图3所示的天线102的回波损耗变化是由电感变化而不是电容变化引起的。回波损耗曲线“D”表示的谐振频率的下移可能是由电感的减小而不是更典型的由头/手效应引起的电容增加造成的。类似的，回波损耗曲线“E”表示的谐振频率的上移可能是由电感的增加(例如当设备被放置在金属表面上时可能带来的影响)引起的，而不是由更典型的由头/手干扰的移除而造成的电容减少所引起的。
解决由头/手效应引起的天线102性能影响一直是业界的一个长期目标。由于无法设计出保持天线102的恒定谐振频率的方法，研究者们已经工作了多年，以开发出将传输线阻抗与天线的变化阻抗相匹配的方案。迄今为止，实用的阻抗匹配方案已经在天线和无线电装置前端之间的天线馈线中实现，以在无线电装置前端的固定阻抗(通常为50Ω)与天线的可变阻抗之间创建可变匹配，该可变阻抗依赖于在操作期间天线所暴露于其中的变化的电学条件。典型的阻抗匹配方案使用固定和可变的电感器和/或电容器的网络，所述电感器和/或电容器中的一些可以被切换或是可切换的，其中，将匹配网络插入馈线，使得在50Ω馈线中传播的信号可以有效地匹配于天线的可变阻抗。为了动态地创建正确的阻抗匹配，需要测量去往天线的前向功率波和部分地从天线反射回来的反射功率波之间的相对振幅和相位。然后用该信息来获得天线负载阻抗，并计算对匹配网络的可变电容和电感部件(即，可变电抗)所需的调节，以将天线的变化的负载阻抗匹配于馈线的期望固定值，通常为50欧姆。
阻抗匹配通常具有以下缺点：需要多元件的可调电感/电容“匹配网络”，以实现宽的调节范围；匹配网络增加了传输路径的损耗，这降低了可用发射功率和系统效率，即使在没有或有很少阻抗失配的情况下也是如此；需要快速、精确的振幅和相位检测；需要复杂的算法和相当多的DSP资源来计算所需的阻抗匹配网络元件的值；通常需要大量的迭代和对多个电路元件的调节，以实现期望的负载阻抗；阻抗匹配网络元件的错误设置会导致显著的、不期望的辐射性能损失，这会导致掉线；以及消耗大量时间(>100ms，相当于10+3GPPLTE帧)来达到期望的负载阻抗。
图4是具有阻抗匹配网络的设备400的示意图。由于环境变化或头/手效应会改变天线410的电学特性，这通常会导致天线阻抗的变化，造成天线与馈线之间的阻抗失配，因此将阻抗匹配网络408插入馈线。阻抗匹配技术仅减少了前述阻抗失配，但是阻抗匹配不改变天线本身的电学特性。因此，阻抗匹配无法纠正天线410的谐振频率，在存在环境变化或头/手效应的情况下，该谐振频率会保持移动远离原始的谐振频率，即使馈线的阻抗已经匹配于变化的天线阻抗也是如此。设备400包括发射机402、由传感器404和处理器406构成的用于前向和反射功率的功率振幅和相位传感器，其中这些功能可以或者可以不由同一物理设备执行。可调阻抗匹配网络408和天线410。在操作中，通过在传感器404中测量发射信号的振幅和相位来检测阻抗失配。为了纠正阻抗失配，利用所测量的前向和反射功率的振幅和相位来进行复杂的共轭匹配计算，以确定匹配阻抗所需的正确阻抗匹配网络变量。该计算费时且容易出错，其中，对阻抗匹配网络的错误调节会增加阻抗失配，进一步削弱无线信号。此外，可调节匹配网络408的存在导致永久性插入损耗，其通常使信号强度降低超过1分贝。因此，由于阻抗匹配网络的插入，信号强度中存在永久性损耗，这是由执行阻抗匹配网络操作所需的硬件部件引起的，从阻抗匹配中不能获得正增益，直到由于天线与无线电装置前端之间的阻抗失配所引起的信号强度的可恢复损耗超过由于匹配网络本身所引起的插入损耗为止。
不是尝试匹配由于天线经历的变化的电学环境所引起的变化的天线阻抗，以及进行不必要的复杂测量和共轭计算以建立阻抗匹配，简单得多的、更快且更好的解决方案是保持天线的恒定谐振频率，继而确保天线的阻抗会保持合理的恒定，从而完全避免了对可调阻抗匹配网络的需要。
图5是根据一个实施例的、具有无线电前端的设备500的示意图，该无线电前端能够通过可变电抗调节装置502使天线410保持恒定谐振频率。与阻抗匹配方案不同，保持恒定的谐振频率只需要在功率耦合器404处简单地测量反射功率，而不需要测量和计算信号相位。一旦反射功率已知，就通过将测量的值与天线在自由空间中的校准期间获得的原始值进行比较来确定天线410的谐振频率。如果由功率耦合器504测量的反射功率不同于在校准期间在操作频率下测量的反射功率，那么天线410的谐振频率已经移位远离目标操作频率，这与天线410的电学特性的变化直接相关。在操作期间天线电学特性的这种变化通常是由于环境变化或头/手效应引起的，并且所有这些变化中的绝大多数是由于因在电话使用和操作期间存在人体组织而造成的天线的电容性负载所引起的。因此，开始假设所测得的天线的反射功率变化的原因是由于环境和/或头/手效应导致的天线的电容性负载。在一个实施例中，图5中的设备500能够通过简单地移除预定量的电容来保持恒定的谐振频率，其中，在生产校准期间建立适当量的待移除电容。维持恒定谐振频率的其他明显方法是适当调节附接到天线的可变电抗，利用电容的移除(或电感的增加)来抵抗增加的电容性负载(或减小的电感性负载)，以及利用电容的增加(或电感的减小)来抵抗降低的电容性负载(或增加的电感性负载)。确定对可变电抗的适当调节的校准通常开始于自由空间中，然后添加各种行业标准的头/手虚拟物，以在给定的操作频率下测量由于头/手效应引起的反射功率的变化。天线效率测量结果可以用于确定阈值，在该阈值上，特定的反射功率变化与天线效率的不期望变化相对应。记录的值被存储在查找表中，该查找表将是可变电抗与反射功率测量结果相结合的控制回路的一部分。在本公开的上下文中，这种调节可变电抗的方法称为阈值监控前馈算法。
在一个实施例中，用于调谐天线410的谐振频率的可变电抗是数字可变电容器(DVC)502。应理解，除了设备502的DVC实施例之外或者可替代地，可以使用其他电抗(电感或电容)调节装置来保持天线410的恒定谐振频率。
不试图匹配天线的变化的阻抗，而是保持天线的恒定谐振频率具有若干优点：在存在干扰天线的电学特性的环境或头/手的情况下，保持天线的辐射效率；仅需要单个可变电抗；仅需要标量的发射信号的反射功率测量结果(可以利用来自接近传感器或电场传感器的读取结果对其进行补充或取代)；可以利用简单稳健的“阈值监控前馈算法”、“IQ波形鉴别算法”或“离散鉴别算法”来实施；允许非常快地补偿检测到的天线的电学特性变化(<<10ms)，使得谐振频率不会明显位移并且随后的辐射效率降低和阻抗失配不会达到影响性能的水平；仅需要待调节的天线调谐器的可变电抗值；消除了对确定信号相位的需要，并且消除了相关的相位测量精度和阻抗轨迹问题；以及消除了由于馈线中的可变阻抗匹配网络所导致的插入损耗。
设备500通过简单地测量反射功率并随后相应地调节天线410的电抗来进行操作，在利用DVC实施例时，这可以在100微秒或更短的时间内完成。这与为了确定天线阻抗并推导出发射机402中的阻抗匹配网络的共轭匹配而进行的复杂的相位和功率向量计算以及直到找出将最优功率传递到变化的天线阻抗负载的可变匹配网络的最佳配置为止通常需要的多次迭代所需的100+毫秒相比要快的多。
图6示出了基于3GPP标准的无线通信协议(例如，4G LTE)的典型的物理层帧，其中，1帧为10毫秒长并且具有20个持续时间为500微秒的时隙。这意味着阻抗匹配花费5个或更多个完整的LTE帧来进行单次阻抗匹配纠正，但是如果环境变化需要如此快速的调节以避免帧内的传输数据的讹误(这将导致促使“掉线”的后续“丢包”)，则可以在单个时隙中对天线孔径进行多次电抗调节。对环境或头/手变化的快速且精确的响应是孔径调谐相比于阻抗匹配的另一个关键优势。
图7是具有可变电抗调节装置702的设备700的示意图，其中，可变电抗调节装置特别地可以实施为可变MEMS电容器、可变铁电体电容器、多个MEMS开关式电感性和/或电容性电抗元件，或多个半导体开关式电感性和/或电容性电抗元件。该设备包括具有可变电抗控制引擎706和测量信号监测单元708的发射机704，并且电抗调节控制信号传感器710被插入馈线中。可变电抗控制引擎706包括通用计算单元或数字信号处理资源和存储器，其用于算法并且存储校准值、阈值和测量值，以促进所提出的“阈值监控前馈算法”、“IQ波形鉴别算法”或“离散鉴别算法”的执行。可变电抗控制引擎706可以是在现有多用途处理器或基带调制解调器内运行的虚拟引擎，也可以是独立的微控制器。电抗调节控制信号传感器710可以是示出的天线馈线中的定向功率耦合器，用以测量发射无线信号的前向和反射功率，或者其也可以是能够可靠地测量人体组织的存在或其他环境变化的电容式触摸传感器或任何类型的接近传感器，或者其可以是能够可靠地测量人体组织的存在或设备700周围的电场中的其他环境变化的任何其他类型的电场传感器。测量信号监测单元708会具有所需的输入，以及处理由相应的电抗调节控制信号传感器710提供的测量信号的能力。此外，提供开关，用以使无线信号根据需要在设备的高频带和低频带无线电链路之间移动。对可变电抗调节装置702的必要电抗调节是由可变电抗控制引擎706基于来自测量信号监测单元708的测量信号确定的。可变电抗控制引擎706基于对由测量信号监控单元708提供的测量信号的算法分析，根据可变电抗调节装置702的类型，来调节天线的电容性/电感性负载，以抵消检测到的天线电学特性的变化，这将使天线谐振频率维持在或者非常接近用于无线通信的期望操作频率。当被测信号过了在校准期间预编程的阈值时，或在合理的时间量(其可以在校准期间预编程)中没有检测到天线处的电学条件的变化为止，根据可变电抗控制引擎706中实施的控制算法的类型，这个过程可以以预定的重复时间间隔连续运行。
图8A到8D是用于对可变电抗孔径调谐方案进行闭环控制的IQ频谱包络鉴别算法的示意图，所述闭环控制由反射功率的变化触发并且通过将发射频谱包络与反射频谱包络进行比较来驱动。如图8A所示，绘制天线的回波损耗与频率在曲线802中示出了目标谐振频率、在曲线804中示出了下移谐振频率、以及在曲线806中示出了上移谐振频率。已经在上文中的图3的上下文中描述了可能会导致这种天线谐振频率下移或上移的潜在的电容性或电感性环境和头/手效应的变化。在已经在天线中增加电容(或者移除电感)时出现低值，而在已经在天线中移除电容(或者增加电感)时出现高值。图8B到8D示出了在同一天线上传输但在与图8A中描绘的回波损耗曲线802、804和806相对应的三种不同天线条件下操作的无线信号的频谱包络线的三个简图。图8C示出了在传输频率等于天线谐振频率802时传输的频谱包络。频谱包络是对称的，其边带812和814在频带的低端和高端处。图8B示出了相同但现在是从其中谐振频率已经下移(图8A中的曲线804)的天线反射回来的频谱包络，并且该频率包络示出了低边带808明显低于高边带810的特征变形。图8D示出了相同但现在是从其中谐振频率已经上移(图8A中的曲线806)的天线反射回来的频谱包络，并且该频率包络示出了上边带818明显低于下边带816的特征变形。通过处理解调的IQ频谱包络，可以分析反射频谱包络的失真形状。由此产生的与由于谐振高于或低于发射频率而造成的失真的RF频谱包络的斜率相关的信息可以用作鉴别器，用以在以防止在信号传输中天线效率降低以及阻抗失配损耗而维持恒定的天线谐振频率为目标的情况下，控制用于孔径调谐的可调电抗的变化的方向。
回到图8A，其还解释了用于对可变电抗孔径调谐方案进行闭环控制的离散鉴别算法。对在操作频率下的回波损耗进行测量并且将其与在校准期间建立的设定点822、826进行比较。建立校准设定点822，使得发射信号和接收信号具有与天线的良好辐射特性对应的足够低的回波损耗。通过非常典型形状的回波损耗曲线802可以看出，其类似于具有低底部和大约对称的倾斜上升至高回波损耗的边带的山谷，其中，低底部指示低回波损耗，边带指示在操作期间应该避免的不足的天线辐射特性。由于绝大多数的2G、3G和4G通信网络为发射和接收信号分配独立且紧密间隔的频率(通常为30MHz到90MHz的“双工间隔”)，因此针对发射信号的回波损耗的校准设定点通常不是在曲线802中的山谷的中心附近的最低回波损耗，而是侧壁的中间范围中的点，该点被选择为使得通常与较低频率处的左侧壁对应的发射信号的回波损耗与接收信号的回波损耗在类似范围中，以确保同等有效的信号发送和接收。观察在回波损耗曲线802的左侧壁上的这种中间点，很容易看出，在相同的频率下明显较低的回波损耗824意味着天线的谐振频率已下移，如曲线804所示。通常在由头/手/环境效应引起的电容加载/电感卸载期间观察到这种天线谐振频率下移。虽然通常期望在发射频率处的低回波损耗，但是必须考虑的是，对于曲线804，接收频率处的回波损耗已经急剧增加，这会导致接收信号的损耗。当天线暴露于由于环境/头/手效应引起的电感加载/电容卸载时，观察到相反的效应，并且天线的谐振频率上移至点820，如曲线806所示。现在，发射频率处的回波损耗显著增加，而接收频率处的回波损耗显著降低，指示以弱得多的发射信号为代价获得更强的接收信号。无论是何种天线负载以及发生何种谐振频率移位，天线针对信号发射和接收的整体效率都降低了，一种简单的离散鉴别算法可以保持天线的恒定谐振频率，如下：
1、如果计算出的设定点回波损耗加/减灵敏度裕量大于/小于测得的回波损耗，则通过可变电抗使电容性负载减小/增加(使电感性负载增加/减少)在校准期间确定的较小的固定量。
2、如果计算出的设定点回波损耗加/减灵敏度裕量仍然大于/小于测得的回波损耗，则进一步使电容性负载减小/增加(使电感性负载增加/减少)在校准期间确定的同样的较小的固定量，直到测得的回波损耗落入计算出的设定点的回波损耗加/减灵敏度裕量的范围内。
3、继续测量回波损耗并且将其与计算出的设定点的回波损耗加/减灵敏度裕量进行对比，直到测得的回波损耗落在计算出的设定点的回波损耗加/减灵敏度裕量的范围之外，在这种情况下，继续进行步骤1。
图11到24例示了用于调节设备的电容以补偿头/手效应的一个实施例。
反射系数(RC)的大小是频率f、等效电容C0和等效电感L0的函数。
Figure GDA0002876197960000121
谐振频率f0为：
Figure GDA0002876197960000122
天线的天线等效电感L0通常是恒定的，因此天线的反射系数大小是频率f和等效电容C0的函数。
Figure GDA0002876197960000123
当频率范围在天线的谐振频率附近时，
Figure GDA0002876197960000124
部分是平滑的并且接近线性，如图11所示。因此，反射系数大小响应对比等效电容具有天线频率响应的相似形状。在通过数字可变电容器(DVC)以恒定步长C0+n*ΔC对等效电容进行调谐时，等效电容线性地映射到DVC状态。因此，反射系数大小响应对于DVC状态也具有天线频率响应的相似形状。
图12示出了在800MHz下测得的通过DVC 402R调谐的PIFA天线的示例。该天线从750MHz被调谐至950MHz，并且其在状态20下利用DVC被调谐至800MHz。在800MHz下测得的DVC状态响应类似于在DVC状态#20下的频率响应。在图12中，上限是在自由状态下预定的，并且是计算出的该设备可以承受的反射功率。下限是在设备处于自由状态的情况下进行的设备校准期间预定的。最优状态是图上的发射和接收反射系数大小基本相同的位置。因此，通过在固定频率对比DVC状态对天线进行测量，可以更好的理解天线频率响应。例如，在图12中，当上行链路频率比下行链路频率低45MHz时，最优状态在左侧斜线的状态#15，其反射系数大小约为0.4。
反射系数阈值
为了使上行链路和下行链路良好匹配，上行链路的反射系数的大小不应太低。像图12中的DVC状态#20，上行链路的反射系数大小是0.1，而下行链路的反射系数大小高达0.6。因此，上行链路的反射系数的大小既有上限也有下限。过高或过低都会触发优化操作。
随时间监测反射系数
当天线处于最优状态(图12中的#15)时，在图13中示出了典型的手加载和释放对反射系数大小的影响。电容式手加载将反射系数的大小移至更高的加载状态。例如，手加载电容可等效为从状态#15到状态#18、#21和#24的DVC，并且会使反射系数大小先下降然后再上升。通过检查反射系数大小随时间的变化，可以检测到手加载和释放事件，即使在反射系数没有突破阈值时也是如此。
图14示出了优化算法的流程图。该优化是通过突破阈值和/或倾斜检测以及对手加载/释放状况的一些认识来触发的。该优化算法收集反射系数大小对于DVC状态的数据集。该优化估计反射系数大小相对于DVC状态响应并且检查是否找到最优状态。如果找到最优状态，则该算法退出并有潜在的阈值略微调整。如果未找到最优状态，则该算法返回到反射系数大小测量迭代。对于所收集的每个新的反射系数大小对比DVC状态的数据点，该算法再次进行进行估计和检查。在演示代码中使用的数据集为：测量的DVC状态[S]＝[S0,S1,S2,…,Sn]；以及在测量的DVC状态下的反射系数的大小[RC]＝[RC0,RC1,RC2,…,RCn]。
初始化
曲线估计步骤通常需要多于1个的数据点来工作，因此，需要初始化步骤来获取第一组数据点，从而初始化迭代。在开始优化之前收集三个数据点，如图15所示。初始DVC状态为S0，并且初始反射系数大小为RC0。如果对于算法，加载条件是已知的，则该算法会移动DVC以抵抗负载的影响。在手加载的情况下，该算法会测量S0-1和S0-2，以减少电容。在手释放的情况下，该算法会测量S0+1和S0+2，以增加电容。如果加载条件是未知的，则该算法会在一个步骤中减少DVC电容，并且测量新状态下的反射系数大小(RC1)。如果RC1高于初始反射系数大小RC0，则第三个数据点会在S0+1。否则，第三个数据点会在S0-1。
反射系数大小与DVC状态的曲线拟合
如果必要的话，首先截取数据集，并且只使用最新的十六个测量结果进行拟合。应理解，可以更频繁或者更不频繁地取得测量结果，该频度通常以“时隙”为增量(在LET的情况下为10ms)。如果每40ms取得一个测量结果，则最近的600ms会被认为是“最近”的。在截取之后，测量到的最低DVC状态被定义为：Smin。测量到的最高DVC状态被定义为：Smax。该代码将RC＝f(S)曲线拟合成抛物线函数。
RC＝aS2+bS+c，a＞0
这是一种简化的关系。考虑了负载信息和天线模型的更复杂的拟合可以用来处理更为复杂的情况。在图16中，拟合后的抛物线曲线上的最小的反射系数大小的DVC状态为“Di”。
Figure GDA0002876197960000141
通过所测量的DVC状态的分布，在“寻找最优状态”的步骤中有三个支段，如图18所示。首先，在左侧斜线的所有测量的DVC状态：Smax≤Di。其次，在右侧斜线的所有测量的DVC状态：Di≤Smin。第三，找到的谐振状态为：Smin<Di<Smax。
寻找最优的DVC状态
在一个示例中，所有测量到的DVC状态在如图17所示的左侧斜线。图17示出了存在处于阈值状态下的测量的DVC状态的示例。该算法通过拟合抛物线方程来计算最优状态。在图17的情况下，DVC状态#12为计算出的最佳状态。当在图17没有测量到DVC状态#12的情况下，该算法会报告没有找到最优状态，并且将DVC状态#12设置为下一个要测量的DVC状态。如果测量到DVC状态#12，那么该算法会返回DVC状态#12作为最优状态并且退出。
在另一示例中，所有测量到的DVC状态高于上限，如图18所示。如果Smax<31，那么该算法会报告没有找到最优状态，并且将Smax+1设置为下一个要测量的DVC状态。如果Smax＝31，那么该算法会报告优化状态＝31并且退出。会根据反射系数大小设置新阈值为DVC状态31。在这种情况下，DVC电容没有大至足以将天线调低。
在另一示例中，所有测量到的DVC状态低于下限，如图19所示。如果>0，那么该算法会报告没有找到最优状态，并且将Smin-1设置为下一个要测量的DVC状态。如果Smin＝0，那么该算法会报告优化状态＝0并且退出。会根据反射系数大小设置新阈值为DVC状态0。旧阈值太高。
在一个示例中，所有测量到的DVC状态在右侧斜线(即,Smin>0)，如图20所示。该算法会报告没有找到最优状态，并且将Smin-1设置为下一个要测量的DVC状态。如图21所示，当Smin＝0时，那么该算法会报告优化状态＝0并且退出。会根据反射系数大小设置新阈值为DVC状态0。在这种情况下，DVC电容没有低至足以将天线调高。
在一个示例中，找到了最小反射系数大小的DVC状态。如图22所示，存在在阈值范围内的测量到的DVC状态。该算法通过拟合抛物线方程来对最优状态进行插值。在图22的情况下，DVC状态#6为计算出的最优状态。在图17的情况下没有测量到DVC状态#6，因此该算法会报告没有找到最优状态，并且将DVC状态#6设置为下一个要测量的DVC状态。如果测量到DVC状态#6，那么该算法会返回DVC状态#6作为最优状态并且退出。
在一个示例中，所有测量到的状态都具有高于上限的反射系数大小，如图23所示。在这种情况下，该算法会报告优化状态＝Di并且退出。会根据在最优DVC状态的反射系数的大小来设置新阈值。旧阈值太低。
在另一示例中，所有测量到的状态都具有低于下限的反射系数大小，如图24所示。如果Smin>0，那么该算法会报告没有找到最优状态，并且将Smin-1设置为下一个要测量的DVC状态。如果Smin＝0，那么该算法会报告优化状态＝0并且退出。会根据反射系数大小设置新阈值为DVC状态0。旧阈值太高。
用于调谐天线的DVC包括MEMS设备。图9是根据一个实施例的基于微机电系统(MEMS)的数字可变电容器DVC 900的示意图。MEMS DVC包括多个腔体902，所述腔体中的每个都具有耦合到公共RF凸点906的RF电极904。每个腔体具有一个或更多个上拉或下拉电极908以及一个或更多个接地电极910。开关元件912从远离RF电极904的位置移动到接近RF电极904的位置，以改变MEMS DVC 900中的电容。MEMS DVC 900具有多个开关元件912，并且因此具有可以施加到天线孔径/从天线孔径移除的大的可变电容范围，以便维持恒定的谐振频率并且对在环境变化或头/手效应的影响下的天线的电学特性变化进行补偿。MEMS DVC900本质上是多个独立控制的MEMS元件的集合。
图10A到10C是根据一个实施例的单个MEMS元件1000的示意性横截面视图，该MEMS元件1000能够在MEMS DVC 900中的多个腔体902中创建多个开关元件912。MEMS元件1000包括：RF电极1002、下拉电极1004、上拉电极1006、覆盖在RF电极1002和下拉电极1004上的第一介电层1008、覆盖在上拉电极1006上的第二介电层1010、以及可以在第一介电层1008和第二介电层1010之间移动的开关元件1012。开关元件1012耦合到接地电极1014。如图10B所示，当开关元件1012最接近RF电极1002时，MEMS元件1000在最大电容位置。如图10C所示，当开关元件1012离RF电极1002最远时，MEMS元件1000在最小电容位置。因此，MEMS元件1000创建了具有两个不同电容级的可变电容器，并且将多个这种MEMS元件1000集成到单个MEMSDVC 900中可以创建具有大粒度和电容范围的DVC，以实现维持恒定谐振频率所需的电抗性孔径调谐，并且补偿在环境变化或头/手效应影响下的天线的电学特性变化。
通过利用可变电抗(如DVC)调节天线孔径(谐振电路)的电容性或电感性特征，可以消除通常由于头/手效应和其他环境效应引起的信号强度的下降。不是视图纠正产生的阻抗失配，而是简单地调节设备天线的电抗性负载可以直接补偿头/手效应。
虽然前述内容是针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开基本范围的情况下，可以设想本公开的其他和另外的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (12)

1.一种维持恒定天线谐振频率和阻抗匹配的设备，包括：
无线电装置前端；
天线；
插在所述天线和所述无线电装置前端之间的功率耦合器；
耦合到所述天线的电抗改变装置，其中，所述电抗改变装置能够调节所述天线的谐振频率，所述电抗改变装置包括数字可变电容器；以及
控制器，其配置为：
测量反射系数对比数字可变电容器曲线；
确定所述数字可变电容器的与所述反射系数的最小量相对应的最优状态；以及
将所述数字可变电容器设置到所述最优状态，其中，将所述数字可变电容器设置到所述最优状态包括改变所述天线的谐振频率。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述数字可变电容器包括：多个微机电电容器、一个或更多个可变铁电体电容器、半导体开关电容器、MEMS开关电容器及其组合。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述电抗改变装置还包括：
可变电感器。
4.如权利要求3所述的设备，其中，
所述数字可变电容器包括：多个微机电电容器、一个或更多个可变铁电体电容器、半导体开关电容器、MEMS开关电容器或者其组合；以及
所述可变电感器包括：
具有可调电感的机械、物理或电部件；
一个或更多个电感器，其中，所述一个或更多个电感器与一个或更多个可变电容器结合使用；
半导体开关电感器；或
MEMS开关电感器。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述一个或更多个可变电容器包括：多个微机电电容器、一个或更多个可变铁电体电容器、半导体开关电容器、MEMS开关电容器及其组合。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备为蜂窝电话、可穿戴设备或利用一个或更多个天线以支持无线通信的设备。
7.一种使用维持恒定天线谐振频率和阻抗匹配的设备的方法，所述设备包括：
无线电装置前端；
天线；
插在所述天线和所述无线电装置前端之间的功率耦合器；以及
耦合到所述天线的电抗改变装置，其中，所述电抗改变装置能够调节所述天线的谐振频率，所述电抗改变装置包括数字可变电容器；以及
控制器，其配置为通过一种控制方法来控制所述数字可变电容器，所述方法包括：
通过测量反射系数大小对比数字可变电容器曲线来监测所述天线的谐振频率；
确定所述数字可变电容器的与所述反射系数的最小量相对应的最优状态；以及
将所述数字可变电容器设定到所述最优状态，其中，将所述数字可变电容器设定到所述最优状态包括改变所述设备的所述谐振频率。
8.如权利要求7所述的方法，其中，还包括：通过随时间地测量和比较所述反射系数大小来检测所述反射系数大小的变化。
9.如权利要求8所述的方法，其中，还包括：如果所述反射系数大小的变化超过了给定极限，则增加附接到所述天线的可变电抗。
10.如权利要求8所述的方法，其中，还包括：如果所述反射系数大小的变化超过了给定极限，则减小附接到所述天线的可变电抗。
11.如权利要求10所述的方法，其中，还包括：通过重复进行所述监测、检测和所述减小所述可变电抗来维持所述天线的恒定谐振频率。
12.如权利要求9所述的方法，其中，还包括：通过重复进行所述监测、检测和所述增加所述可变电抗来维持所述天线的恒定谐振频率。
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