TWI451627B - 虛擬的ｆｍ天線 - Google Patents

Description

虛擬的FM天線

本發明係關於天線及FM接收器的領域。

消費性電子產品方面對於小型化及改善攜帶性給予很高的價值，特別是在無線通信裝置。但是對於適當的長天線之需求限制了某些無線裝置小型化程度。天線效率為許多參數的函數，其中包括天線的長度。概言之，大多數接收器可以利用具有所接收信號之波長的一半或四分之一波長之天線來良好地運作。但是使用實質上小於四分之一波長天線之接收器則接收會較差。

信號的波長(λ)等於光速(c)除以頻率(f)。例如，2.4 GHz的信號，像是藍芽(Bluetooth)裝置、無線電話、無線路由器及其它家用裝置等所使用者，其波長皆小於13公分。FM無線電信號的範圍大約是87 MHz到108 MHz，其波長為277公分到344公分。

2.4 GHz耳機的λ/4天線僅需要約3 cm，相較於接收無線電波之耳機則需要約86公分。因此高頻裝置，例如行動電話的無線耳機，其尺寸仍可相當小，並具有能夠良好接收的天線。但是接收較低頻信號者，例如在相同耳機上接收無線電波，則具有相當的挑戰性。大多數典型的掌上型無線電藉由使用可延伸金屬天線或是使用前述無線電的耳機線做為天線的方式來克服這些限制。但是這兩種狀況由於皆大幅增加了系統的實體尺寸而不盡理想。

其有需要建構一種能夠接收較低頻的信號之小型裝置，其不需要大型的外部天線。

本發明一種態樣係連接接收器到人體以產生虛擬天線。本發明另一態樣係關於使用阻抗匹配電路以最小化天線/接收器介面處的能量損耗。本發明另一態樣係關於使用即時性阻抗匹配電路以根據在本體阻抗中偵測到的變化調整電路參數。

第一圖所示為具有FM耳機之人體。平均的人體(5－6英呎)大約是FM無線電波之波長的一半，其共振頻率約為76到86 MHz，兩者皆為FM天線所需要的特性。但是人體為不良導體，且由於FM耳機尺寸較小，前述天線連接將具有高阻抗。本發明克服這些缺點，並使用人體來輔助無線電波的接收。

第二a圖及第二b圖所示為實施本發明態樣之包含接收器210的耳機裝置220。裝置220係用於穿戴在耳朵230上。雖然此特定具體實施例中顯示耳機220，相同的概念可以應用到連接於人體之手腕、腳踝、腰部或任何其它部份之裝置。在裝置220內的接收器210可具有天線輸入，其可連接到接觸於人體之裝置220的導電性外部部份。此連接可由將裝置220包覆在導電外殼中來達成，其利用金屬塗料覆蓋了裝置220的外側，或藉由使用導電接觸墊250來接觸人體。除了具有直接接觸皮膚之導電金屬之外，前述裝置亦能夠利用塑膠層或塗料被覆將導電表面與皮膚隔離，以電容式地耦合於皮膚。例如接觸墊250可允許裝置設計者建構穿戴在耳朵上的裝置220，但是與人體的接觸點是在臉頰或頸部。前述接觸墊可與接收器210相隔一距離260。前述裝置可設置成使人體做為唯一的天線，或使人體延伸為內建天線。

典型的FM接收器之阻抗為75到300歐姆，而此處所述之系統的阻抗例如約為1000歐姆。為了最小化在前述天線/接收器介面處的能量損耗及最大化功率轉換，本發明一態樣可利用阻抗匹配網路，例如第三圖所示之電感電容式壓控震盪電路(LC tank circuit)。第三圖的電路包含天線輸入310、電容器(C1)320、及電感(L1)330。電容器320及電感330可並聯連接到天線輸入及接地340。

電感電容式壓控震盪電路可形成一所想要的阻抗匹配網路，因為相較於電阻或其它電路元件及組態，其可改變具有最小功率損耗之電路阻抗。前述電感電容式壓控震盪電路亦可用於做為濾波器，其藉由最大化在所要頻率之信號傳輸，及最小化在其它頻率之信號傳輸。電容器320及電感330之數值的選擇使得前述電感電容式壓控震盪電路之共振頻率為所想要的傳輸頻率。當前述電感電容式壓控震盪電路的共振頻率對應於所想要的傳輸頻率時，由前述天線到前述接收器的功率傳輸效率將為最大值。

但是裝置不會具有特定傳輸頻率，並需要覆蓋頻率波段。電感330及電容器320數值可被客製化符合每個特定裝置之特殊需求(例如窄頻寬或寬頻寬)。其可瞭解到第三圖之匹配網路僅代表可利用之多種匹配網路中的一種。

天線輸入310可連接到人體，且接地340可連接到PC板的接地。接地340及天線輸入310亦可相反，即將接地340連接到人體，而非前述天線輸入。

前述系統之阻抗將根據所傳送之信號頻率以及其它因素而改變，例如前述裝置連接到人體的那一個地方。為了改善效能，本發明一態樣係關於即時性阻抗匹配以最佳化所接收的信號位準。第四圖所示為一種匹配網路電路，其可動態地調整到前述系統之變化阻抗。第四圖的電路包含天線輸入410及接地440。天線輸入410可連接到人體，而接地440可連接到PC板的接地。類似第三圖的電路，第四圖的匹配網路可以包含電容器420及電感430，其並聯連接到天線輸入410及接地440。本發明一態樣係關於電容器420為一可調式電容庫，其可基於在人體與天線輸入410之介面處量測的阻抗而調整。電感430的數值大約為100 nH，而前述可調式電容庫可以例如由大約5 pF調整到20 pF。

數位偵測電路470可偵測人體與天線輸入410之介面處的阻抗，並依此調整前述可調式電容庫。另外，數位偵測電路470可基於偵測到的信號強度指示以調整前述可調式電容庫。基於前述偵測的阻抗或前述偵測的信號強度，前述數位偵測電路可使用以軟體為主的演算法，以調整前述電容庫，所以前述匹配網路的共振頻率可接近或相同於前述傳輸頻率。改變前述匹配網路的共振頻率可允許前述匹配網路在多種頻率而非特定頻率之下達到功率傳輸的最大效率。要能夠容納多種頻率之可調性對於需要涵蓋較寬波段頻率之裝置而言為必要。

本發明另一態樣係關於動態執行即時性阻抗匹配。數位偵測電路470可做為回授迴路，其可固定監視及調整前述網路的阻抗，即使當被接收的信號頻率並未改變。在其它具體實施例中，前述數位偵測電路可包括一低雜訊放大器450。此外，前述FM接收器的不同態樣或整體性可結合於前述數位電路的不同態樣。

第四圖的匹配網路亦可包含一旁通電容器460以阻隔信號的DC成分，及LNA 450，用於在傳送前述接收信號到接收器之前將其放大。前述信號可由LNA 450的輸出480傳送到前述接收器。在本發明一具體實施例中，電容器420及LNA 450可以在晶片上，而電感430及旁通電容器460可在晶片之外。不同組件的位置是在晶片上或晶片外皆可改變。

雖然為了便於解釋起見本發明的不同態樣已參照FM無線電接收器加以說明，本發明的範圍係包含了廣大範圍的裝置，其可接收不同頻率之下廣大範圍的信號。例如本發明的態樣可包含在雙向無線電、行動電話、家用無線電話、AM無線電、以不同頻率運作的非U.S.無線電(例如日本的無線電信號以76－90 MHz傳送)，且實際上可包含在任何其它小型無線接收裝置中。

前面具體實施例的說明係用於使得本技藝專業人士可以製作及使用本發明。對於這些具體實施例的多種修正對於本技藝專業人士而言皆立即可以瞭解，而此處所定義的一般性原理及特定範例可以應用到其它具體實施例，而不需要使用本發明的技能。例如，上述之部份或所有不同具體實施例之特徵可由前述具體實施例中刪除。因此，本發明並非要受限於此處所述之具體實施例，而是要根據下述之申請專利範圍及其同等者所定義的最廣義範圍。

210．．．接收器

220．．．耳機裝置

230．．．耳朵

250．．．導電接觸墊

260．．．距離

310．．．天線輸入

320．．．電容器

330．．．電感

340．．．接地

410．．．天線輸入

420．．．電容器

430．．．電感

440．．．接地

450．．．低雜訊放大器

460．．．旁通電容器

470．．．數位偵測電路

480．．．輸出

C1．．．電容器

L1．．．電感

第一圖為實施本發明態樣的接收器。

第二a圖至第二b圖為實施本發明態樣之耳機接收器的不同視圖。

第三圖為實施本發明態樣之阻抗匹配電路的範例。

第四圖為即時性阻抗匹配電路的範例。

210．．．接收器

220．．．耳機裝置

230．．．耳朵

Claims (16)

1. 一種接收無線電信信號的設備，包含：一接收器，用於處理一頻率的無線電信信號，前述接收器具有天線輸入以接收前述無線電信信號；及一耦合機構，用於耦合到人體，前述耦合機構在一第一端接收經由前述人體傳導的前述無線電信信號，並在一第二端經由前述天線輸入傳送前述無線電信信號到前述接收器，以用於處理；其中前述耦合機構包含：一阻抗匹配電路；及一數位偵測電路以基於前述數位偵測電路在前述第一端處所偵測的阻抗而調整前述阻抗匹配電路的參數。
2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中前述參數包括電容。
3. 如申請專利範圍第1項之設備，進一步包含：數位偵測電路，用於偵測信號強度，並基於前述偵測的信號強度調整前述阻抗匹配電路的參數。
4. 如申請專利範圍第3項之設備，其中前述參數包括電容。
5. 如申請專利範圍第1項之設備，進一步包含：電路，其根據前述無線電信信號之頻率調整前述阻抗匹配電路的參數。
6. 如申請專利範圍第5項之設備，其中前述參數包括電容。
7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中前述耦合機構包含導電材料。
8. 如申請專利範圍第1項之設備，其中前述耦合機構包含非導電材料，並電容性耦合於前述人體。
9. 如申請專利範圍第1項之設備，其中前述無線電信信號係一調頻(FM)訊號。
10. 一種接收無線信號的設備，包含：處理裝置，以處理一頻率的無線電信信號；接收裝置，用於接收前述無線電信信號，前述接收裝置傳送前述無線電信信號到前述處理裝置；及，耦合裝置，用於耦合前述接收裝置到人體，前述耦合裝置係接收由前述人體傳導的前述無線電信信號，並傳送前述無線電信信號到前述接收裝置，用以處理；其中前述耦合裝置包含：一阻抗匹配裝置，用於當前述無線電信信號由前述人體傳送到前述接收裝置時減少信號功率損耗；一偵測裝置，用於偵測前述人體的阻抗；一調整裝置，用於基於藉由前述偵測裝置偵測的阻抗調整前述阻抗匹配裝置。
11. 如申請專利範圍第10項之設備，進一步包含：偵測裝置，用於偵測信號強度；及，調整裝置，用於基於偵測的信號強度調整前述阻抗匹配裝置的參數。
12. 如申請專利範圍第10項之設備，進一步包含：調整裝置，以基於前述無線電信信號的前述頻率調整前述阻抗匹配電路之參數。
13. 如申請專利範圍第10項之設備，其中前述耦合裝置 包含導電材料。
14. 如申請專利範圍第10項之設備，其中前述耦合裝置包含非導電材料，並電容性耦合於前述人體。
15. 一種接收無線電信信號的方法，該方法包含：經由一耦合表面耦合一天線輸入到一人體；偵測前述耦合表面處之一阻抗；回應於偵測前述阻抗，調整關於前述天線輸入之阻抗匹配電路的參數以減少信號功率損耗；及經由前述耦合表面傳送經由前述天線輸入從前述人體傳導的前述無線電信信號到用於處理前述無線電信信號之一接收器。
16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中前述調整係回應於偵測信號強度。