用于感測并計算負載阻抗的簡單且微創的方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了用于雙端口網絡的直接負載阻抗計算的系統及方法。對于連接在第一端口與第二端口之間的雙端口網絡，所述方法可包括以下步驟：限定等效PI網絡，所述等效PI網絡包括與第一端口進行通信的第一等效網絡元件、與第二端口進行通信的第二等效網絡元件和連接在第一端口與第二端口之間的第三等效網絡元件。線性無源負載可連接到雙端口網絡的第二端口，可測量通過線性無源負載、第二等效網絡元件和第三等效網絡元件的電流，并且基于第一端口處的電壓和第二端口處的電壓的預定值，可確定線性無源負載的負載阻抗。
【專利說明】用于感測并計算負載阻抗的簡單且微創的方法及系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請涉及并要求于2011年3月21日提交的美國專利申請序列號61//454，844的優先權，其全部內容通過引用結合于此。
【技術領域】
[0003]本文中公開的主題大體上涉及用于操作電子設備的系統及方法。更具體地，本文中公開的主題涉及用于感測并計算可調諧匹配網絡的負載阻抗的系統及方法。
【背景技術】
[0004]期望可調諧匹配網絡在實現自適應且可重構無線電前端架構中發揮重要作用。一個特定實施例為使用可調諧天線阻抗匹配網絡，對于由用戶接近效應引起的手機天線阻抗失配損耗進行補償。
[0005]不同匹配網絡拓撲結構在文獻中已有報道。基本L型網絡可實現在有限史密斯圓圖區上的共軛匹配。另一方面，Pi網絡提供額外自由度，使在更大阻抗范圍內共軛匹配成為可能。在組件值范圍為無限[0，-]的理想情況下，Pi網絡可提供完整史密斯圓圖覆蓋范圍，并且通過使用本領域已知的方法，可計算完美共軛匹配的組件值。
[0006]組件可調諧范圍的有限性歸因于實際實施限制，諸如寄生影響和組件屬性。對于有限組件調諧范圍的匹配網絡，只有當負載阻抗位于匹配域內時，才可實現完美共軛匹配。實際上，網絡組件可用范圍可為預定，并且未知負載阻抗可能經常位于匹配域外。因此，在有限組件調諧范圍的實際阻抗調諧器中，其中完美共軛匹配可能不存在，最優化技術已經普遍用于使反射信號最小化(例如，使VSWR最小化)。諸如單步單純形法、遺傳法或者模擬退火的不同最優化方法已經用于使網絡輸入反射系數盡可能多地最小化或者至少降低到容許水平。這些最優化方法通過迭代過程來搜尋正確組件調諧設置，消耗大量時間以達到調諧目標。此外，根據優化程序選擇及其初始設置，收斂于局部最小存在風險。
[0007]因此，期望開發直接計算最終阻抗匹配組件調諧設置的確定性方法，以減少調諧時間且避免中間調諧狀態。所述調諧方法的關鍵方面在于確定負載阻抗的方法，所述方法也確定等效導納和復數反射系數。期望確定負載確定以最小增加損耗、大小和復雜性完成。
【發明內容】
[0008]根據本發明，提供了用于雙端口網絡的直接負載阻抗計算的系統及方法。在一個方面，對于連接在第一端口與第二端口之間的雙端口網絡，所述方法可包括以下步驟:限定等效PI網絡，所述等效PI網絡包括與第一端口進行通信且具有第一導納的第一等效網絡元件、與第二端口進行通信且具有第二導納的第二等效網絡元件和連接在第一端口與第二端口之間且具有第三導納的第三等效網絡元件。線性無源負載可連接到雙端口網絡的第二端口，可測量通過線性無源負載、第二等效網絡元件和第三等效網絡元件的電流，并且基于第一端口處的電壓和第二端口處的電壓的預定值，可確定線性無源負載的負載阻抗。[0009]雖然本文中所公開主題的一些方面在上文已經詳述，并且所述方面全部或者部分通過本發明公開主題實現，但是當在下文結合附圖進行說明時，隨著說明進行，其它方面將變得明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]通過以下應當結合附圖閱讀的【具體實施方式】，本發明主題的特征和優點將更容易理解，附圖僅以說明性且非限制性實施例方式給出，其中:
[0011]圖1A為示出使電壓駐波比最小化的調諧方法的史密斯圓圖覆蓋成功的圖表；
[0012]圖1B為示出由基于電壓駐波比最小化調諧的網絡輸出的電力的曲線圖；
[0013]圖2A為示出使換能器增益最大化的調諧方法的史密斯圓圖覆蓋成功的圖表；
[0014]圖2B為示出由基于換能器增益最大化調諧的網絡輸出的電力的曲線圖；
[0015]圖3為示出50歐姆損耗中具有0.2dB的20dB定向耦合器的有效損耗隨由理想無損調諧器調諧后的天線VSWR變化的曲線圖；
[0016]圖4A為理想可調諧低通Pi網絡的電路拓撲結構；
[0017]圖4B為具有固定電感器和可調諧電容器的實際pi網絡調諧器的等效電路的電路拓撲結構；
[0018]圖5為根據本發明實施方案的雙端口匹配網絡的電路拓撲結構；
[0019]圖6為圖14中所示連接到任意線性無源負載的雙端口網絡的電路拓撲結構；
[0020]圖7為VSWR隨使用調諧器和不使用調諧器的給定天線阻抗頻率變化的曲線圖；以及
[0021]圖8為根據本發明實施方案的閉環阻抗匹配控制系統的概念性方塊圖。
【具體實施方式】
[0022]本發明提供了可用于感測并計算存在于網絡的一個端口處負載阻抗的系統及方法。在雙端口網絡為可調諧的情況下(特別是，在負載或阻抗調諧器的情況下)，這個負載信息可與相應算法一起用于控制整個電路響應。對于調諧器情況，將設置調諧器以使輸出給所測量負載的電力最大化。在一個方面，所述系統及方法可為基于閉式公式和直接計算程序。雖然本文中使用術語“負載阻抗”，但是本領域一般技術人員應當理解，本文中公開的系統及方法可應用于確定負載阻抗、導納和/或反射系數。
[0023]人們認可，在無損匹配網絡情況下，用于實現共軛匹配或者使反射系數最小化的調諧是指使到負載的電力傳輸最大化。然而，實際上，匹配網絡具有一定量的損耗，并且反射系數最小化并不一定導致電力傳輸最大化。因此，在最終匹配目標為使輸出給負載的電力最大化的情況下，基于(或者部分基于)使輸入反射系數最小化的任何阻抗匹配方法僅對于無損和低損匹配網絡或者調諧器具有良好精度。
[0024]這個方法的應用范圍不排除天線阻抗調諧控制，因為它可例如且不限于用于可調諧或不可調諧匹配網絡設計或者性能分析以取代最優化工具。
[0025]這個方法還避免了對外部傳感器元件的需要，因而成本、大小和損耗比其它方法更低。
[0026]在一個方面，所公開的系統及方法可用于基于輸入電壓駐波比(VSWR)和換能器增益和/或相對換能器增益來評估并調整調諧器性能。調諧器輸入端口處VSWR與其輸入反射系數(r in)有關，如:
[0027]
【權利要求】
1.一種用于雙端口網絡的直接負載阻抗確定方法，所述方法包括以下步驟: 對于連接在第一端口與第二端口之間的雙端口網絡，限定等效PI網絡，所述等效PI網絡包括與所述第一端口進行通信且具有接地的第一導納的第一等效網絡元件、與所述第二端口進行通信且具有接地的第二導納的第二等效網絡元件和連接在所述第一端口與所述第二端口之間且具有第三導納的第三等效網絡元件； 將線性無源負載連接到所述雙端口網絡的所述第二端口； 測量所述第一端口處的第一電壓和所述第二端口處的第二電壓；以及 基于所述第一電壓和所述第二 電壓的值，確定所述線性無源負載的負載阻抗。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，測量所述第一端口處的第一電壓和所述第二端口處的第二電壓包括:測量通過所述線性無源負載、所述第二等效網絡元件和所述第三等效網絡元件的電流，并且基于所測量的所述電流、所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納之間的關系，確定所述第一電壓和所述第二電壓。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，確定所述線性無源負載的負載阻抗包括:基于所述負載阻抗與所述第一電壓、所述第二電壓、所述第二導納和所述第三導納的關系，確定所述負載阻抗。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述關系包括: V1=(V1A2-1)Ys-Y2, 其中A為所述負載阻抗，V1為所述第一端口處的電壓，V2為所述第二端口處的電壓，Ys為所述第三導納，以及Y2為所述第二導納。
5.根據權利要求1所述的方法，所述方法包括:調整所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納中的一個以上，以實現所述負載阻抗的更精確值。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，調整所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納中的一個以上包括:利用得自所感測負載阻抗的值，將分析調諧法應用于所述第一等效網絡元件、所述第二等效網絡元件和/或所述第三等效網絡元件中的一個以上。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，調整所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納中的一個以上包括:將所述雙端口網絡的相對換能器增益最大化為所感測的負載阻抗。
8.根據權利要求5所述的方法，其中，調整所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納的一個以上包括:使所述雙端口網絡的電壓駐波比與所述負載阻抗一起最小化。
9.一種用于雙端口網絡的直接負載阻抗確定系統，所述系統包括: 雙端口網絡，連接在第一端口與第二端口之間，所述雙端口網絡包括與所述第一端口進行通信且具有第一導納的第一等效網絡元件、與所述第二端口進行通信且具有第二導納的第二等效網絡元件和連接在所述第一端口與所述第二端口之間且具有第三導納的第三等效網絡兀件； 線性無源負載，連接到所述雙端口網絡的所述第二端口 ； 藉此，所述系統被構造為測量所述第一端口處的第一電壓和所述第二端口處的第二電壓，并且被構造為基于所述第一電壓、所述第二電壓、所述第一導納、所述第二導納和所述第三導納的關系，確定所述線性無源負載的負載阻抗。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述雙端口網絡包括調諧器。
11.根據權利要求9所述的系統，其中，所述系統包括傳感器。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述傳感器包括感測電路，所述感測電路被構造為測量所述第一電壓和所述第二電壓且確定所述線性無源負載的所述負載阻抗。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述感測電路包括高比例分壓器、對數放大器、鑒相器或A/D轉換器中的一個以上。
14.根據權利要求12所述的系統，其中，所述感測電路作為所述雙端口網絡的可調諧元件集成到常見半導體芯片中。
15.根據權利要求9所述的系統，所述系統包括控制器，所述控制器被構造為調整所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納中的一個以上以在所述感測頻率處實現換能器增益和/或VSWR的期望值。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述控制器被構造為基于所述感測頻率處的阻抗，調整所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納中的一個以上以在與所述感測頻率不同的頻率處實現換能器增益和/或VSWR的期望值。
17.根據權利要求15所述的系統，其中，所述控制器被構造為基于所述感測頻率處的負載阻抗，調整所述第一導納、所述第二導納或者所述第三導納中的一個以上以在兩個以上頻率實現換能器增益和/或VSWR的期望值。
18.根據權利要求15至17中任一項所述的系統，其中，所述控制器作為所述雙端口網絡的可調諧元件集成到常 見半導體芯片中。
【文檔編號】G01R27/08GK103562736SQ201280022293
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月21日 優先權日:2011年3月21日
【發明者】阿瑟·S·莫里斯 申請人:維斯普瑞公司