CN1669218B - 利用发送器和接收器参数调节天线阻抗的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一些实施例，提供与发送器、接收器以及天线配合使用的阻抗变换电路。发送器可提供通过天线发送的发送信号。天线可向接收器提供具有相关信号参数的接收信号。阻抗变换电路包括阻抗调节电路和控制器。阻抗调节电路连接在天线、接收器以及发送器之间。阻抗调节电路配置成可响应控制信号而改变下列至少一对装置之间阻抗差异：1)发送器和天线，以及2)天线和接收器。控制器响应信号参数而产生用于改变所呈现的阻抗差异的控制信号。

Description

利用发送器和接收器参数调节天线阻抗的装置和方法
发明领域
本发明总体上涉及无线通信装置和方法，更具体地说，涉及调节无线通信装置中发送器、接收器与天线所呈现的阻抗。
发明背景
无线通信装置通常包括发送器、接收器和天线。信息信号可经发送器编码并放大，然后传送到天线以便向外界周围发送。可将天线接收的信息信号传送到接收器，在其中进行译码并放大。发送器和天线之间或天线和接收器之间的阻抗失配分别会导致发送信号或接收信号的反射，以及所发送信号中的相关功率损失。当发送器和天线之间所呈现的阻抗大致相等(即匹配)时，就会发生有效的发送信号功率传递。类似地，当天线和接收器之间所呈现的阻抗大致相等时，就会发生有效的接收信号功率传递。
用于提供有效功率传递的常规解决方案包括在制造通信装置期间使发送器和天线的阻抗匹配和/或使接收器和天线的阻抗匹配。然而，天线、发送器和接收器的阻抗在使用期间可能会发生变化，从而导致阻抗失配。
阻抗失配可能是由于例如通信装置移动和/或在其工作环境中存在反射体或屏蔽体而造成的。如果对于一个频段阻抗是匹配的，则在其它频段上的工作期间它们可能会变为不匹配。对于工作于多个频段上的通信装置，例如为全球移动通信系统(GSM)、数字通信系统(DCS)、高级移动电话服务(MPS)、个人通信服务(PCS)或无线局域网(WLAN)提供的那些通信装置，这种失配变得尤其明显。此外，通信装置的微型化和小型天线例如接线天线(patch antenna)的采用加大了天线、发送器和接收器的阻抗随频率进行的变化。
当发送器和接收器共用天线时，调节发送器和天线之间的阻抗匹配可能会影响到接收器和天线之间的阻抗匹配，反之亦然。
对于这种装置，当该装置在发送和接收频率范围之间以及频段之间工作时，阻抗失配可能导致发送信号或接收信号中发生不可接受的功率损失。
发明概要
根据本发明的一些实施例，提供了与发送器、接收器和天线配合使用的阻抗变换电路。发送器提供通过天线发送的发送信号。天线向接收器提供具有相关信号参数的接收信号。阻抗变换电路包括阻抗调节电路和控制器。阻抗调节电路连接在天线、接收器和发送器之间。阻抗调节电路配置成可改变下列一对或多对装置之间所呈现的阻抗差异：1)发送器和天线，以及2)天线和接收器。以上改变操作是根据控制信号来进行的。控制器根据信号参数生成控制信号，从而改变所呈现的阻抗差异。
在一些实施例中，信号参数表示接收信号中的功率反射量。控制器可在反射功率未满足阈值时减少天线和接收器之间所呈现的阻抗差异，和/或在反射功率满足阈值时减少发送器和天线之间所呈现的阻抗差异。
在其它实施例中，信号参数表示接收信号的接收信号强度。控制器可在接收信号强度未满足阈值时减少天线和接收器之间所呈现的阻抗差异，和/或在接收信号强度满足阈值时减少发送器和天线之间所呈现的阻抗差异。
在其它实施例中，信号参数表示接收信号的误码率。控制器可在误码率未满足阈值时减少天线和接收器之间所呈现的阻抗差异，和/或在误码率满足阈值时减少发送器和天线之间所呈现的阻抗差异。
在其它实施例中，信号参数表示何时接收器在主动接收信号和/或何时发送器在主动发送信号。控制器可在接收器活动时减少天线和接收器之间所呈现的阻抗差异，和/或在发送器活动时减少发送器和天线之间所呈现的阻抗差异。
这样，阻抗变换电路可根据一个或多个与接收信号和/或发送信号相关的静态或时变参数调节阻抗。此外，如以下详述，可选择性地改善发送器或接收器的性能。
附图简述
图1说明根据本发明一些实施例的收发器的框图。
图2说明根据本发明一些实施例，针对收发器进行的阻抗变换操作。
图3说明根据本发明一些实施例的一种阻抗调节网络的电路图。
图4说明根据本发明另一些实施例的一种阻抗调节网络的电路图。
详细说明
下面将参考附图更全面地介绍本发明，附图中显示了本发明的典型实施例。然而，本发明可以多种不同的形式来实施，并且不应理解为局限于本文所述的实施例；确切地说，提供这些实施例是为了使本公开透彻完整，并将向本领域的技术人员传达本发明的范围。所有图中类似地编号表示类似地单元。
根据本发明的一些实施例，提供了阻抗变换电路及方法。图1-4说明根据本发明实施例的示范性装置和方法。将会理解，图中所描述的操作及其组合可以用一个或多个电子电路来实现。还将理解，一般而言，图中所示操作及其组合可以用一个或多个电子电路来实现，例如用一个或多个分立电子元件、一个或多个集成电路(IC)和/或一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或专用电路模块来实现，也可用计算机程序指令来实现，这些计算机程序指令可由计算机或其它数据处理装置如微处理器或数字信号处理器(DSP)或硬件和计算机指令的组合来执行，这里将它们全部称为“电路”。
图1是根据本发明实施例的无线移动终端10的框图。在本文中，术语“移动终端”可包括但不限于蜂窝无线终端；可将蜂窝无线终端与数据处理、传真和数据通信功能相结合的个人通信终端；可包括无线终端、寻呼机、因特网/内部网接入、局域网接口、广域网接口、Web浏览器、管理器、日历和/或全球定位系统(GPS)接收器的个人数字助理(PDA)；以及移动或固定计算机或包括无线终端收发器的其它设备。虽然将本发明描述为与移动终端结合使用，但是可以理解，本发明可应用于任何无线通信系统，例如蜂窝通信系统、集群无线通信系统、卫星通信系统以及其它无线通信基础设施。
移动终端10可与另一移动终端或无线通信系统进行信息收发。如图1所示，移动终端10包括天线20、收发器30和数字信号处理器(DSP)45。DSP45耦合到收发器30以便处理数字通信信号。图1所示的收发器30包括控制器40、接收器100、发送器80和阻抗调节网络90。
信息信号可由数据调制解调器50、键盘60或麦克风70提供给DSP45，以便发送。DSP45采用例如常规的编码处理来准备要发送的信息信号。信息信号提供给发送器80，在其中可将信息信号例如转换成模拟信号并用载波信号调制、放大，然后提供给天线20，以便从移动终端10发送出去。发送器80和天线20之间的信号路径也可称为发送路径。
将由天线20接收的信息信号提供给接收器100，在其中进行放大、解调为基带频率、译码、转换成数字信号，而后提供给DSP45进行处理。天线20和接收器100之间的信号路径也可称为接收路径。DSP45可以将信息信号提供给例如显示器110、扬声器120和/或数据调制解调器50。可以理解，收发器30可包括例如设在传统收发器中的其它部件，这里不对这些部件的常规方面作进一步的介绍。
在发送信息信号期间，当发送器80和天线20的阻抗基本上相同(即阻抗匹配)时，就会发生从发送器80到天线20的有效的信息信号功率传递。阻抗差异可使一部分信号功率通过天线20反射或返回到发送器80，而不是通过天线20辐射出去。通常，由于天线20上存在到发送器80的功率反射，因此阻抗差异越大，信号功率损失越大。
类似地，在接收信息信号期间阻抗差异匹配时，就会发生从天线20到接收器100的有效的信息信号功率传递。通常，由于接收器100上存在到天线20的功率反射，因此阻抗差异越大，信号功率损失越大。
根据本发明的一些实施例，阻抗调节网络90连接到发送器80和天线20之间以及天线20和接收器100之间的信号路径，以便可响应来自控制器40的阻抗控制信号95而调节发送器80和天线20之间和/或接收器100和天线20之间所呈现的阻抗。控制器40监视一个或多个与信息信号的发送或接收相关的静态或时变参数，并调节阻抗控制信号95，以使阻抗调节网络90调节阻抗，从而调节发送功率传递效率和/或接收功率传递效率。提高发送和/或接收期间的功率传递效率可以分别提高发送器和/或接收器的灵敏度。这样，可根据一个或多个静态或时变信号参数选择性地提高或优化发送器80或接收器100的效率。虽然图中将控制器40显示为与DSP45和阻抗调节网络90分开的功能框，但是它的功能可集成到DSP45和/或阻抗调节网络90中。
在本发明的一些实施例中，控制器40连接到发送功率检测器130和接收功率检测器140。发送功率检测器130和接收功率检测器140分别检测发送路径和接收路径中提供的前向信号功率和逆向信号功率(即反射功率)的值，并向控制器40提供检测到的信息。控制器40可根据一个或两个检测到的反射功率量与预定阈值的比较、或所检测到的逆向功率量和前向功率量之比与预定阈值的比较，来调节发送路径和/或接收路径中的阻抗差异。
例如，当发送路径中的反射功未满足(如大于)预定阈值时，控制器40可减少或基本上消除发送路径中的阻抗差异，以减少任何反射功率。同样，当接收路径中的反射功率未满足(如大于)预定阈值时，控制器40可减少或基本上消除接收路径中的阻抗差异，以减少任何反射功率。可选的是，控制器40可以通过对路径中的反射功率量进行加权均衡来对反射功率值与预定阈值的比较或前向功率值和逆向功率值之比与预定阈值的比较作出响应。这样，控制器40可在发送功率传递效率满足阈值(即可接受)时提高接收功率传递效率，或在接收功率传递效率满足阈值(即可接受)时提高发送功率传递效率。
由于发送路径和接收路径共享天线，因此为提高发送路径上的功率传递效率而使其阻抗变化时，会导致接收路径的阻抗变化，而相应地使其功率传递效率变得更低，反之亦然。因此，这种变化体现了发送路径和接收路径的期望效率的均衡。
在本发明的其它一些实施例中，DSP45测量从天线20接收的信息信号的强度和/或误码率，并向控制器40提供接收信号强度指示(RSSI)和/或接收信号的误码率指示。控制器40随后可响应RSSI和/或误码率指示而调节发送路径和接收路径的阻抗。
例如，控制器40可以在RSSI满足(如超过)阈值时减少或基本上消除发送器80和天线20之间的阻抗差异。类似地，控制器40可以在RSSI未满足(如低于)阈值时减少或基本上消除天线20和接收器100之间的阻抗差异。这样，控制器40可例如根据接收信号的强度选择性地提高发送路径或接收路径的功率传递效率，使其中一个效率优于另一个效率。
可选或可作为补充的是，控制器40可以在误码率指示未满足(如高于)阈值时减少或基本上消除天线20和接收器100之间的阻抗差异。类似地，控制器40可以在误码率指示满足(如低于)阈值时减少或基本上消除发送器80和天线20之间的阻抗差异。这样，控制器40可根据接收信号的误码率有选择地提高发送路径或接收路径的功率传递效率。
根据本发明的其它实施例，由发送功率检测器130、接收功率检测器140和/或DSP45向控制器40提供发送活动指示或接收活动指示。控制器40随后可在发送而非接收信息信号时减少或基本上消除发送器80和天线20之间的阻抗差异。相反，可在接收而非发送信息信号时减少或基本上消除天线20和接收器100之间的阻抗差异。这样，可以在需要的时候提高从发送器80到天线20或从天线20到接收器100之间的功率传递效率。例如，因为对移动无线电话而言，通过移动终端10进行的语音会话通常是单向进行的，因为每次通常只有一个用户在讲话，所以控制器40可在语音发送期间提高发送效率而在语音接收期间提高接收效率。
根据本发明一些实施例，控制器40根据对与发送和接收信号相关联的一个以上参数，例如一条或两条路径中的反射功率量、RSSI、误码率以及发送活动性和接收活动性的加权衡量，不断地调节发送路径和接收路径中的阻抗差异。不断地调节阻抗差异的操作可包括图2所示的那些操作。在框200中，测量相对的发送(TX)活动性和接收(RX)活动性。在框210中判断发送活动性是否大于接收活动性。当结论是大于时，就在框220中调节阻抗均衡值以提高发送路径的效率。当结论是小于时，就在框230中调节阻抗均衡值以提高接收路径的效率。
在框240中，可检测发送路径中的逆向功率(即反射功率)和/或可由DSP45检测或接收RSSI和/或BER(误码率)。在框250中，对于本发明的一些实施例，还根据逆向功率、RSSI和BER中不只一项的加权组合来调节阻抗均衡值。
在框260中，判断阻抗均衡值是否满足(如大于)阈值。阈值可表示例如先前的调节阻抗均衡值或期望的均衡。在框270中，当阻抗均衡值被满足时，则向阻抗调节网络90提供与阻抗均衡值有关的信号，以调节发送路径和接收路径的相对阻抗差异。当阻抗均衡值不大于阈值时，或在完成了框270时，操作流回到框200，以测量发送和接收活动性。
这样，可选择性地提高接收器100或发送器80的效率。例如，可在接收信号具有足够低的RSSI、足够高的BER、足够高的反射接收信号功率时和/或在发送器80未在发送信号时提高接收器100的效率。类似地，可在接收器100未在接收信号时和/或在接收信号具有足够高的RSSI、足够低的BER和/或足够低的反射信号功率时提高发送器80的效率。可响应随时间变化的操作条件如无线环境、工作频率或其它信号源的信号干扰的变化，动态地进行阻抗调节并调整发送器80和接收器100的相关效率。
图3显示了根据本发明一些实施例的阻抗调节网络90。所示的阻抗调节网络90将发送器80的输出通过电容性负载310耦合到天线20，并将接收器100的输入通过电容性负载320耦合到天线20。如图3所示，并联网络连接在电容性负载310和320与天线20之间。所示的并联网络包括电感器330，电感器330与固定容量的电容器340和可变容量的电容器350并联。电容性负载310和320分别包括发送路径和接收路径的电容性负载。可选择电感器330的电感和固定电容器340的电容，以提供发送器80、接收器100和天线20之间期望的基线阻抗均衡。可变电容器350的电容可根据阻抗控制信号，如来自控制器40的模拟信号来调节，从而调节发送路径和接收路径中的阻抗差异。
图4显示了根据本发明其它实施例的阻抗调节网络90。网络90与图3所示网络的不同之处在于，图3中的可变电容器350被图4所示的数字可控电容器350取代。电容器350可包括多个并联的电容器C1-C5和开关360。开关360根据来自控制器40的数字阻抗控制信号选择性地将电容器C1-C5中的各电容或电容组合接地，从而调节电容量。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型实施例，虽然采用了专门术语，但它们用于一般的描述，而不是为了限制，而本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (21)

1.一种阻抗变换电路，它与发送器、接收器以及天线配合使用，所述发送器提供发送信号以通过所述天线发送，所述天线向所述接收器提供具有相关信号参数的接收信号，所述阻抗变换电路包括：
所述天线与所述接收器和所述发送器之间的阻抗调节电路，所述阻抗调节电路配置成响应控制信号选择性地减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异而同时所述接收器连接到所述天线，以及响应所述控制信号选择性地减少所述接收器和所述天线之间所呈现的阻抗差异而同时所述发送器连接到所述天线；以及
控制器，它响应所述信号参数而产生用于改变所呈现的阻抗差异的所述控制信号，其中所述信号参数指示何时所述接收器在主动接收信号以及何时所述发送器在主动发送信号，而且所述控制器配置成当所述发送器在主动发送信号而所述接收器没有在主动接收信号时修改所述控制信号以减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异，以及当所述发送器没有在主动发送信号而所述接收器在主动接收信号时修改所述控制信号以减少所述天线和所述接收器之间所呈现的阻抗差异。
2.如权利要求1所述的阻抗变换电路，其特征在于：所述信号参数表示所述接收信号中的反射功率量。
3.如权利要求2所述的阻抗变换电路，其特征在于：如果所述反射功率量未满足阈值，则所述控制器修改所述控制信号，以使所述阻抗调节电路减少所述天线和所述接收器之间所呈现的阻抗差异。
4.如权利要求3所述的阻抗变换电路，其特征在于：所述控制器修改所述控制信号，以使所述天线和所述接收器之间所呈现的阻抗差异减少到0。
5.如权利要求2所述的阻抗变换电路，其特征在于：所述信号参数表示所述接收信号的反射功率与非反射功率之比。
6.如权利要求2所述的阻抗变换电路，其特征在于：如果所述反射功率量满足阈值，则所述控制器修改所述控制信号，以使所述阻抗调节电路减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
7.如权利要求1所述的阻抗变换电路，其特征在于：所述控制器配置成接收所述发送信号中的反射功率量的指示，并且所述控制器可操作以响应所述发送信号中的所述反射功率量而修改所述控制信号，以改变所述接收器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
8.一种阻抗变换电路，它与发送器、接收器以及天线配合使用，所述发送器提供发送信号以通过所述天线发送，所述天线向所述接收器提供具有相关信号参数的接收信号，所述阻抗变换电路包括：
所述天线与所述接收器和所述发送器之间的阻抗调节电路，所述阻抗调节电路配置成响应控制信号而改变下列至少一对装置之间所呈现的阻抗差异：1)所述发送器和所述天线，以及2)所述天线和所述接收器；以及
控制器，它响应所述信号参数而产生用于改变所呈现的阻抗差异的所述控制信号，其中所述信号参数指示所述接收信号的接收信号强度，以及如果所述接收信号强度满足阈值，则所述控制器修改所述控制信号，以减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
9.如权利要求8所述的阻抗变换电路，其特征在于：如果所述接收信号强度未满足阈值，则所述控制器修改所述控制信号，以减少所述天线和所述接收器之间所呈现的阻抗差异。
10.一种阻抗变换电路，它与发送器、接收器以及天线配合使用，所述发送器提供发送信号以通过所述天线发送，所述天线向所述接收器提供具有相关信号参数的接收信号，所述阻抗变换电路包括：
所述天线与所述接收器和所述发送器之间的阻抗调节电路，所述阻抗调节电路配置成响应控制信号而改变下列至少一对装置之间所呈现的阻抗差异：1)所述发送器和所述天线，以及2)所述天线和所述接收器；以及
控制器，它响应所述信号参数而产生用于改变所呈现的阻抗差异的所述控制信号，其中所述信号参数指示所述接收信号的误码率，以及如果所述误码率满足阈值，则所述控制器修改所述控制信号，以减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
11.如权利要求10所述的阻抗变换电路，其特征在于：如果所述误码率未满足阈值，则所述控制器修改所述控制信号，以减少所述天线和所述接收器之间所呈现的阻抗差异。
12.一种用于操作与发送器、接收器及天线配合使用的天线调谐器的方法，所述方法包括：
检测与由所述天线提供给所述接收器的和/或由所述发送器提供给所述天线以用于发送的信号相关的信号参数，所述信号参数指示何时所述发送器在主动将信号提供给所述天线以用于发送以及何时所述接收器在主动接收信号；以及
响应所检测到的信号参数通过当所述发送器活动而所述接收器未活动且同时所述接收器连接到所述天线时减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗以及当所述接收器活动而所述发送器未活动且同时所述发送器连接到所述天线时减少所述接收器和所述天线之间所呈现的阻抗而调节下列至少一对装置之间所呈现的阻抗：1)所述发送器和所述天线，以及2)所述天线和所述接收器。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述信号参数表示由所述天线提供给所述接收器的接收信号中的反射功率量。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：调节阻抗包括在所述反射功率量未满足阈值时减少所述天线和所述接收器之间所呈现的阻抗差异。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所检测到的信号参数表示反射功率与非反射功率之比。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于：调节阻抗包括在所述反射功率量满足阈值时减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述信号参数表示由所述发送器提供给所述天线以用于发送的信号中的反射功率量，以及调节阻抗包括响应所述反射功率量而改变所述接收器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
18.一种用于操作与发送器、接收器及天线配合使用的天线调谐器的方法，所述方法包括：
检测与由所述天线提供给所述接收器的接收信号相关的信号参数，且所述信号参数指示所述接收信号的接收信号强度；以及
响应所检测到的信号参数而调节下列至少一对装置之间所呈现的阻抗：1)所述发送器和所述天线，以及2)所述天线和所述接收器，而且调节阻抗包括在所检测到的信号参数指示所述接收信号强度满足阈值时，减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：调节阻抗包括在所检测到的信号参数指示所述接收信号强度未满足阈值时，减少所述接收器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
20.一种用于操作与发送器、接收器及天线配合使用的天线调谐器的方法，所述方法包括：
检测与由所述天线提供给所述接收器的接收信号相关的信号参数，且所述信号参数指示所述接收信号的误码率；以及
响应所检测到的信号参数而调节下列至少一对装置之间所呈现的阻抗：1)所述发送器和所述天线，以及2)所述天线和所述接收器，而且调节阻抗包括在所检测到的信号参数指示所述误码率满足阈值时，减少所述发送器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于调节阻抗包括：
在所检测到的信号参数指示所述误码率未满足阈值时，减少所述接收器和所述天线之间所呈现的阻抗差异。
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