专利名称：用于电短天线的rf发射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于经电短天线发射电磁信号的射频(RF)发射器。
本发明例如可用在涉及便携式装置和/或电池运行的装置的无线通信中，如听力 装置和辅助装置之间的无线通信。听力装置例如可以是用于补偿听力受损人员的听觉能力 损失的助听器或用于提高正常听力人员的听觉能力的听音装置。
背景技术：
用于发射电磁信号的RF天线优选设计成具有所发射信号波长的至少四分之一的 大小，因为这通常得到高天线效率、宽带宽和实质上真实的输入阻抗。然而，许多装置并没 有足够大以满足该条件的天线空间。对于具有频率如IOOMHz的RF信号，波长的四分之一 等于O. 75m。因而，常常使用远小于波长的四分之一的天线。这样的天线通常称为“电短” 或“电小”天线。
电短天线固有地展现低辐射电阻和低效率。它们的效率可通过降低天线中的电阻 损耗而得以增加，然而，这将增大天线的质量因子(Q)进而使得带宽减小。在为50的典型Q 时，天线的3-dB带宽为中心频率的2%。
美国专利4，339，827公开了用于对相当小的环路天线进行调谐以例如在电视机 中接收VHF (非常高频率)电视信号的调谐电路。该调谐电路包括与天线形成谐振电路并 响应于控制电压的可变电容。另外的阻抗可借助于电子开关耦合到谐振电路。调谐电路使 天线通带能电子调谐到VHF频带内的所选电视频道。
类似地，美国专利4，343，001公开了数字调谐的电小天线，其中可切换到多个不 同值的调谐元件连接到天线的一端子。处理器监视连接到天线的第二端子的鉴相器的输 出、指令调谐元件切换直到天线调谐为止、及保存所达到的值以用于将来参考。在使用一段 时间之后，处理器已学习到在不同频率之间快速切换天线从而以对应频率发射和/或接收信号。
在上面提及的文献中公开的接收器和发射器中，及在许多其它已知的、具有电短 天线的RF装置中，可用频道带宽受限于调谐天线的通带宽度，因为所接收和所发射的、具 有超出通带的频率的信号将被谐振电路衰减并严重相位失真。
美国专利5，402，133公开了具有辐射单元的合成器辐射系统，其具有相对于所辐 射的频带的波长小的尺寸。能量损耗通过在辐射单元和电抗性存储单元之间来回循环储存 的能量而得以减少。宽带运行通过积极控制固态切换装置而实现，固态切换装置在载波信 号的单周期内修改辐射单元和存储单元之间的能量传递。合成器辐射系统使能发射带宽超 过窄带调谐的电短天线的信号，然而具有比类似宽带调谐的天线好的效率。
所公开的合成器辐射系统包括相当复杂的由于控制切换装置的电路。此外，切换 以相当高的频率进行，这导致控制切换的电子电路中的功耗相当高。因此，所公开的系统不 太适合低功率发射器，在其中控制电路的前述损耗很容易超出实际发射功率。
美国专利7，239，713公开了一种听力装置，具有用于将信息以窄带长波无线方式传给另一听力装置的无线电装置。放大器连接到包括线圈和电容器的并联电路的天线电 路。来自天线电路的反馈使放大器和天线电路能运行为具有特定谐振频率和高Q如高于10 的振荡器。另一电容器可借助于开关连接到天线电路，藉此使谐振频率降低。通过与将要 发射的数据信号同步切换，线圈辐射对应的调频(FM)数据信号。另一听力装置中的接收器 电路将其频率调整为所发射信号的载波频率。
在US 7，239，713公开的无线电装置中，天线电路在发射期间以其谐振频率振荡。 在下面，发射器称为“固有频率发射器”，其中天线电路的谐振频率确定所发射信号的频率。
在固有频率发射器中，靠近天线的物体可能影响天线电路的谐振频率和Q，因而也 可能影响所发射信号的频率、相位和振幅。在便携式装置如听力装置中，其中低频RF信号 用于无线通信，附近物体的位置和电磁性质通常在系统设计人员的控制之外。在这些应用 中，振荡器因而应设计成鲁棒，无视与天线耦合的阻抗变化。否则，接收器必须能够适应信 号频率、相位和振幅的变化，这可能对可实现的通信距离、可实现的数据速率、可使用的接 收器电路类型等施加不合需要的限制。这迫使设计人员在低性能和复杂无线电电路之间平 衡，后者通常既增加成本又增大功耗。在利用调频信号的系统中，所发射频率的失真反映在 接收器侧的解调信号中，因而使问题恶化。
固有频率发射器通常很难设计成鲁棒运行，尤其因为发射器的物理布局是决定性 的因素。有时，振荡器甚至根本不能振荡，且固有频率发射器的开发需要制造几个原型很普 遍，这通常使得在大规模集成电路中实施前述发射器成本很高。此外，固有频率发射器设 计的微小变化可能具有意料之外的后果，这通常阻止在新装置设计中成功地再用发射器设 计。
本发明的目标在于提供RF发射器，其使能经电短天线发射电磁信号而没有上面 提及的缺点。
另外的目标在于提供包括前述发射器的便携式装置和助听器。
另一目标在于提供前述发射器经电短天线发射电磁信号而没有上面提及的缺点 的用途。
另一目标在于提供RF发射器的运行方法，该方法使能经电短天线发射电磁信号 而没有上面提及的缺点。发明内容
本发明的这些及其它目标由独立权利要求及下面的描述中限定的发明实现。本发 明的进一步的目标由从属权利要求和本发明的详细描述中限定的实施方式实现。
本发明基于“合成频率发射器”的使用，在本说明书中，其意为发射频率与天线电 路的谐振频率无关的发射器。在这样的发射器中，天线电路被迫以驱动器提供的传输信号 的频率振荡。根据传输信号的频率与天线电路的谐振频率怎样一致，天线电路可放大或衰 减该信号，但其不能改变频率。因此，合成频率发射器使能实现稳定的及预定的发射频率， 例如通过从晶体振荡器提供的稳定时钟信号导出这些频率。因此，合成频率发射器相较固 有频率发射器更容易设计成鲁棒运行，这减少了开发时间和成本。此外，相较鲁棒固有频率 发射器，它们通常不太复杂及功耗较低。
发明人寻求增加合成频率RF发射器的可用带宽，包括适于与发射器可连接到其的电短天线形成谐振电路的电抗性储能器。发射器用于传输调频或调相无线电信号，即用 于根据电传输信号传输电磁信号，电传输信号具有随信息信号变化的瞬时频率。电短天线 尤其适合包括在小的便携式装置如听力装置中。
发明人还希望找到既不导致更高的复杂性又不增加发射器中的功耗的解决方案， 这些是重要的标准，尤其在电池供电的装置如听力装置中。令人惊讶地，他们发现这样的解 决方案可以相当简单的方式实现，即通过根据信息信号改变储能器的有效电抗而动态改变 谐振电路的谐振频率。因此，可控制谐振电路的瞬时通带以实质上总是包括电传输信号的 瞬时频率。所找到的解决方案使能设计相当简单的发射器，其中所发射信号的带宽可能超 出天线电路的带宽，从而宽带信号可经窄带天线高效率地传输。此外，与他们初始假设的相 反，发明人发现该发射器可容易地控制及因动态改变谐振频率产生的人为现象和失真的缺 点可降低到得到相较现有技术解决方案的优点更多补偿的水平。
控制谐振频率的相当简单的方式可通过改变储能器的有效电抗使得谐振电路的 谐振频率以与电传输信号的瞬时频率的同时转变一样的方向转变而实现。
通过改变储能器的有效电抗使得谐振电路的谐振频率实质上追随电传输信号的 瞬时频率，可实现更闻的效率。
有效电抗可实质上为电容性电抗，这使发射器能用于经感应电短天线如环路天线 发射。
如果储能器包括两个以上电抗元件及连接成使能重新配置电抗元件的一个以上 开关，及如果发射器还通过操作至少一开关在离散的时间点改变电抗，则可实现谐振频率 的数字控制。因此，可复制的电抗值可快速设定。
电抗元件优选为电容器。电容器可容易地包括在集成电路中，从而使整个发射器 或其主要部分实施在单一集成电路中。
储能器可包括温度计编码的存储电路阵列，每一电路包括一个或多个电抗元件。 这使能减少因操作开关引起的人为现象。
储能器还可包括二进制编码的存储电路阵列，每一电路包括一个或多个电抗元 件，二进制编码的存储电路阵列相较温度计编码的存储电路阵列提供更高的电抗变化分辨 率。这使能减少在特定频率分辨率时获得特定谐振频率范围所需要的电抗元件的总数，但 并不实质上增加人为现象。
发射器可操作开关使得在每一离散时间点，在电抗变化时涉及温度计编码的存储 电路阵列中的最小量的存储电路。这使能减少所发射电磁信号中的人为现象。
发射器还可适于对一个或多个开关的操作定时使得开关的闭合实质上在跨相应 开关的电压处于最小值时进行。这可进一步减少所发射电磁信号中的人为现象。
发射器可包括连接成从谐振电路接收信号的接收器电路。这使发射器能运行为收 发器并还使能自动调谐和校准发射器。
发射器优选可包括在便携式装置如听力装置中。
发射器可用于经电短天线发射电磁信号。
连接到电短天线并包括电抗性储能器的合成频率RF发射器，其中储能器具有适 于与天线形成具有谐振频率的谐振电路的电抗，可通过下述方法运行向谐振电路提供具 有根据信息信号变化的瞬时频率的电传输信号；及通过根据信息信号改变有效电抗而动态改变谐振频率。该方法使能经电短天线发射电磁信号而没有现有技术的缺点。
在本说明书中，“听力装置”指装置如助听器或有源耳朵保护装置，其适于通过接 收来自个体环境的声信号、以电子方式修改声信号、及向个体的至少一只耳朵提供听得见 的信号而改善或提高个体的听觉能力。前述听得见的信号可以辐射到个体外耳内的声信 号、作为机械振动通过个体头部的骨结构传到个体内耳的声信号和/或直接或间接传到个 体耳蜗神经的电信号的形式提供。听力装置可构造成以任何已知的方式进行佩戴，例如作 为安排在耳后的单元，具有将辐射的声信号导入耳道的管或具有安排在靠近耳道处或耳道 中的扬声器，作为全部或部分安排在耳廓和/或耳道中的单元，作为附着到植入颅骨的固 定装置的单元等。更一般地，听力装置包括用于从个体环境接收声信号并提供对应的电输 入信号的输入变换器、用于处理电输入信号的信号处理电路、及用于根据处理后的信号将 听得见的信号提供给个体的输出变换器。
“听力系统”指包括一个或两个听力装置的系统，及“双耳听力系统”指包括一个或 两个听力装置并适于向个体的两只耳朵提供听得见的信号的系统。听力系统或双耳听力系 统还可包括“辅助装置”，其与听力装置通信并影响和/或受益于听力装置的功能。辅助装 置例如可以是遥控器、音频网关设备、移动电话、广播系统、汽车音频系统或音乐播放器。听 力装置、听力系统或双耳听力系统可用于补偿听力受损人员的听觉能力损失或提高正常听 力人员的听觉能力。
除非明确指出，在此所用的单数形式的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的 意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述 的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整 数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或 “耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在 此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指 出，在此公开的任何方法的步骤并非必须精确按所公开的顺序执行。
本发明将在下面参考附图、结合优选实施方式进行更详细地说明。
图1示出了根据本发明的发射器的实施例。
图2示出了图1的发射器中包括的温度计编码的存储电路阵列。
图3示出了与图1的发射器有关的示例信号。
图4示出了包括图1的发射器的听力装置的实施例。
为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所 必要的细节，而省略其他细节。在所有附图中，同样的附图标记用于同样或对应的部分。
通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理 解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。对于本 领域的技术人员来说，从下面的详细描述可显而易见地在本发明的精神和范围内进行各种 变化和修改。
具体实施方式
图1中所示的发射器I包括电抗性储能器2、功率放大器3、调制器4、接收器电路 5、解调器6、控制单元7、用于提供电传输信号的两个天线输出端子10、11、用于接收时钟信 号的时钟端子12、用于接收信息信号D (参见图3)的输入端子13、用于接收模式控制信号 的模式输入端子14、用于接收调谐控制信号的调谐输入端子15、用于提供接收数据信号的 接收数据端子16、和用于提供校准数据信号的校准数据端子17。
储能器2包括257个存储电路20，存储电路之一在图中示出，及包括多个电容器 33、34、52、53，这些电容器分别包括在功率放大器3和接收器电路5中。每一存储电路20 包括三个调谐电容器21、22、23和两个调谐开关24、25。调谐电容器21、22、23串联连接在 天线输出端子10、11之间，从而在其间形成第一和第二节点26、27。第一调谐开关24连接 在第一节点26和地之间。第二调谐开关25连接在第二节点27和地之间。在每一调谐开 关24、25中，连接控制相应调谐开关24、25的断开和闭合的控制输入以通过相应调谐控制 线路28、29从控制单元7接收相应调谐控制信号。发射器I对于每一存储电路20具有单 独的一组调谐控制线路28、29。
功率放大器3包括七个一样的双放大器电路30，在图中示出了其中之一。每一双 放大器电路30包括两个数字输出级31、32和两个输出电容器33、34。每一数字输出级31、 32具有连接成通过相应信号线路35、36从调制器4的相应输出接收相应发射信号的输入。 每一数字输出级31、32还具有连接成通过输出电容器33、34中的相应电容器将对应于其输 入上的发射信号的放大后的输出信号提供给天线输出端子10、11中的相应输出端子的输 出。发射器I对于每一双放大器电路30具有单独的一组信号线路35、36。输出电容器33、 34还包括在电抗性储能器2中。
调制器4连接成从时钟端子12接收时钟信号、从模式输入端子14接收模式控制 信号和通过发射控制线路45从控制单元7接收发射控制信号。调制器4还连接成将发射 信号提供给所有双放大器电路30的每一信号线路35、36。
接收器电路5包括低噪声放大器51、两个输入电容器52、53和两个模式开关54、 55。低噪声放大器51的两个互补的输入56、57中的每一个通过输入电容器52、53中的相 应电容器连接到天线输出端子10、11中的相应输出端子。第一模式开关54连接在第一输 入56和地之间,及第二模式开关55连接在第二输入57和地之间。在每一模式开关54、55 中，控制相应模式开关54、55的断开和闭合的控制输入连接成从模式输入端子14接收模式 控制信号。低噪声放大器51的两个输出连接成通过两个接收器输出线路61、62将差分接 收器输出信号提供给解调器6。低噪声放大器51还连接成从模式输入端子14接收模式控 制信号。输入电容器52、53还包括在电抗性储能器2中。
解调器6连接成从接收器输出线路61、62接收差分接收器输出信号及通过接收控 制线路65从控制单元7接收接收控制信号。解调器6还连接成将接收数据信号提供给接 收数据端子16和将校准数据信号提供给校准数据端子17。
控制单元7连接成接收来自数据输入端子13的信息信号D、来自模式输入端子14 的模式控制信号及来自调谐输入端子15的调谐控制信号。控制单元7还连接成将各个调 谐控制输出提供给所有存储电路20的每一调谐控制线路28、29、将发射控制信号提供给发 射控制线路45、和将接收控制信号提供给接收控制线路65。
发射器I外面的环路天线100包括具有一个或多个绕组的导体及两个端子101、102，每一端子连接到发射器I的天线输出端子10、11中的相应输出端子。天线100形成天 线输出端子10、11之间的复数阻抗Z，其通过电感器L和电阻器R的串联连接建模。电感L 即阻抗Z的虚部主要由环路天线100的绕组的电感确定，但还包括寄生电容性部分。电阻R 即实部主要由导体的固有电阻和磁感应损耗确定。电阻R还包括天线100的辐射电阻，然 而其在电短天线中相当小。
模式控制信号，其必须通过外部单元304 (参见图4)提供给模式输入端子14，激 活模式之一发射模式，其中电磁信号TX (参见图3)可通过发射器I发射，校准模式，其使 能校准和调谐发射器1，及接收模式，其中电磁信号可由发射器I接收。调制器4、接收器电 路5、解调器6和控制单元7中的每一个接收模式控制信号并按如下所述对激活的模式作出 反应。
在发射模式下和在校准模式下，激活调制器4。此外，模式开关54、55闭合以将低 噪声放大器51的输入56、57连接到地，因而保护它们免遭功率放大器3提供到天线输出端 子10、11的闻电压。模式开关54、55实施为电子开关兀件,其在闭合状态时固有地具有非 常小但并非零的电阻和/或电容。因而，每一模式开关54、55形成具有相应输入电容器52、 53的分压器，这使低噪声放大器51能从天线输出端子10、11接收信号，然而强烈地衰减。 在校准模式下，激活低噪声放大器51以使能放大衰减的信号。解调器6测量所接收信号的 振幅和相位并在校准数据信号中提供测量结果。在发射模式下，停用低噪声放大器51，使得 其输出及接收数据信号和来自解调器6的校准数据信号空闲。
在接收模式下，停用调制器4，使得给功率放大器3的发射信号空闲。数字输出级 31、32的输出中的每一个因而受到电源电压的约束，使得输出电容器33、34作为相应天线 输出端子10、11的真实负载而保持连接。此外，模式开关54、55断开，使得低噪声放大器51 可接收来自天线输出端子10、11的弱信号。低噪声放大器51放大所接收的信号并将放大 后的信号作为差分接收器输出信号提供给解调器6，其根据接收控制信号中接收的信息解 调差分接收器输出信号并在接收数据信号中提供解调的数据。
储能器2，其包括存储电路20及输出电容器33、34和输入电容器52、53，形成天线 输出端子10、11之间的有效存储电容C。有效存储电容C还包括来自发射器I中的寄生电 容的贡献，其可能由抗静电放电(ESD)的保护电路引起。有效电容C主要与所有存储电路 20中的调谐开关24、25的状态有关及较小程度地与模式开关54、55的状态有关，因为输入 电容器52、53选择为相当小。
在电抗性储能器2中，257个存储电路20中的255个均一样并形成线性编码的或 温度计编码的存储电路20的阵列200(参见图2)。温度计编码的阵列200的功能在图2中 示出。各个存储电路20编号为从I到N。在所示实施例中，N等于255。每一存储电路20 示为一矩形，其宽度与存储电路20的有效电容Ci成正比，即存储电路20对有效存储电容C 的贡献。整个温度计编码的阵列200的有效电容因而与矩形20覆盖的面积成正比。每一存 储电路20的有效电容Ci可通过操作改变，即断开或闭合调谐开关24、25中的一个或两个， 因而重新配置调谐电容器21、22、23形成的电路。在任何时候，温度计编码的阵列200包括 一组201 (可能为空)片刻具有较高有效电容Ci的存储电路20及一组202 (可能为空)片 刻具有较低有效电容Ci的存储电路20。
图2a和2b示出了分别处于第一和第二状态的温度计编码的阵列200。由于具有较高有效电容Ci的存储电路组201在第一状态时比第二状态时大，整个温度计编码的阵列 200的有效电容也是在第一状态时比第二状态时大。当将整个温度计编码的阵列200的有效电容从一状态(如第一状态)改变到另一状态(如第二状态)时，控制单元7操作调谐开关 24,25使得最小量的存储电路20的有效电容Ci改变。这可通过下述实现当增加有效存储电容C时，仅将存储电路20添加到具有较高有效电容Ci的存储电路组201，及当降低有效存储电容C时，仅从具有较高有效电容Ci的存储电路组201除去存储电路20。换言之，当增加有效存储电容C时，温度计编码的阵列200中没有存储电路20被重配置以降低它们的有效电容(；，反之亦然。这使能将因切换引起的电噪声保持在最低水平，这还使能减少所发射电磁信号中的人为现象。
整个温度计编码的阵列200的有效电容可以对应于单一存储电路20的有效电容 Ci的可能变化的分辨率进行改变。因而，通过使用四倍于存储电路20的数量，每一个具有调谐电容器21、22、23的四分之一电容，可实现跨同一范围的、四倍的分辨率。作为代替，为节约发射器I中的空间和功率，相较于温度计编码的阵列200中的存储电路20，257个存储电路20中的两个实施成分别具有调谐电容器21、22、23的一半和四分之一电容。这两个存储电路20形成二进制编码的存储电路阵列，这使能仅以稍微增加切换噪声的代价获得四倍的分辨率。
发射器I实施在集成电路(未示出)中。这不仅使能减小电路大小和生产成本，而且有助于连续生产具有可复制性质的发射器I。
图3示出了发射模式和校准模式时沿时间轴t的示例信号。信息信号D包括二进制数据或符号(0/1)流，具有如为5μ S的采样间隔Ts。电磁信号TX以瞬时频率f进行发射，瞬时频率根据信息信号D分别为O或I而在两个发射频率f\、f2之间交替。载波频率 fc，其为发射频率f\、f2的平均数，为信息信号D的数据速率(200kHz)的10倍，如2MHz。调制深度为1/40，使得和f2分别等于39/40fc和41/40f。，如1. 95MHz和2. 05MHz。结果， 在O采样间隔Ts期间传输9. 75个信号周期，及在I采样间隔Ts期间传输10. 25个信号周期，从而所发射电磁信号TX的相位P对于每一米样间隔Ts移位正或负π /2。该调制一般称为最小移位键控(MSK)，其为连续相位频移键控(CP-FSK)类型。所发射的电磁信号TX的相对3dB带宽约为相对数据速率的1. 2倍，即约1. 2x200kHz/2MHz=约12%。
储能器2和天线100形成具有谐振频率&的谐振电路，f0由下式给出
(I) /c = /(2π ■ \L * C),
质量因子Q由下式给出
(2) Q = (1/% — 1/1 ) · ^fITc
及3-dB带宽BW由下式给出
(3) Bff = f0/Q
其中L、C和R按上面描述的定义，及Rt为与天线输出端子10、11之一串联的电阻， 其对发射器I中的损耗建模。这些等式为对于较高Q值有效的逼近。
天线100和发射器I的尺寸应使得通过借助于调谐开关24、25改变有效存储电容 C可获得的谐振频率&的范围包括发射器I将要传输的电磁信号TX的整个频带。在所示发 射器I中，可获得的谐振频率fo的范围包括几个这样的频带，这使能将发射器I调谐到多个频道中的任一频道。作为备选，可获得的谐振频率fo的范围可小于发射频率fi，f2的范围，假如可获得的通带包括发射频率f\，f2。
谐振电路2、100的Q为50，因而具有2%的相对3_dB带宽。如果谐振频率&保持 在固定值，至少一发射频率f\，f2因而将在谐振电路2、100的3-dB通带的外面。为避免这 样，只要信息信号D改变，发射器即改变谐振频率引起该改变使得瞬时频率f保持在谐 振电路2、100的通带内。为实现此,谐振频率&以与瞬时频率f的移位一样的方向移位。 优选地，引起该改变使得谐振频率&在发射期间实质上总是等于瞬时频率f。谐振频率& 的改变通过改变有效存储电容C实现。应注意，代替3dB，谐振电路2、100中任何其它适当 的衰减水平如IOdB可用作确定瞬时频率f是否在通带内的标准。
调谐控制信号，其必须通过外部单元304 (参见图4)提供给调谐输入端子15，指 示将用于发射和接收的频道及将使用的调制深度和调制类型。
在接收模式下，控制单元7从调谐控制信号中指示的接收通道计算接收频率、在 给解调器6的接收控制信号中指示接收频率、调制深度和调制类型、及将谐振频率&设定 为等于接收频率。在接收模式下，发射器I不能利用谐振频率&的动态变化，因为这将需 要在接收信号之前了解所接收信号的瞬时频率，该信息显然仅可在接收信号之后得到。
在发射模式和校准模式下，控制单元7从调谐控制信号中指示的发射通道和调制 深度计算发射频率f” f2并在给调制器4的发射控制信号中指示所希望的发射频率fx, f2o 根据信息信号D的状态，所希望的发射频率为或f2。控制单元7还将谐振频率&设置为 总是与所希望的发射频率f\，f2对应。控制单元7通过提供给调谐控制线路28、29的调谐 控制信号控制有效存储电容C，从而也控制谐振频率
在备选实施例中(未示出)，解调器6包括用于确定接收器电路5接收和放大的信 号的瞬时频率的频率确定电路，及控制单元7根据所确定的瞬时频率设置有效存储电容C。 作为备选，瞬时频率可从提供给功率放大器3或功率放大器3提供的任何其他信号进行确 定，如调制器输出或电传输信号。在前述备选实施例中，调制器4可由外部单元控制或为外 部单元的一部分。
当需要改变有效存储电容C以改变谐振频率&时，控制单元7断开和/或闭合存 储电路子组中的调谐开关24、25。这导致重新配置相应存储电路20，使得它们改变其有效 电容C；。为避免失去储能器2中的能量和/或避免在切换期间产生假信号，控制单元7控 制开关闭合的定时，使得它们在相应调谐开关24、25跨其端子具有最小电压时进行。在所 公开的实施例中，电源电压相对于地非对称，如分别为1. 25V和0V，每一存储电路20的调谐 开关24和25因而必须在不同的时间点闭合以实现此。在具有对称电源电压的实施例中， 控制单元7可同时闭合调谐开关24和25。在所公开的实施例中，每一存储电路20的有效 电容Ci在控制单元7闭合调谐开关24、25时增加及在其断开调谐开关24、25时减小。中 间电容器22确保跨断开的调谐开关24、25的电压不会达到天线输出端子10、11上出现的 闻水平。
在所公开的实施例中，天线输出端子10、11之间的有效电抗实质上等于有效存储 电容C，因而实质上为电容性电抗。同样，储能器2中包括的各个电抗元件即调谐电容器21、 22、23实质上为电容性元件。然而，另外或作为备选，储能器2可包括一个或多个感抗元件 如电感器。
调制器4使用时钟信号得到提供给数字输出级31、32的发射信号的稳定时间基准。发射信号提供为方波信号。调制器4提供发射信号使得功率放大器3提供给天线输出 端子10、11的电传输信号的瞬时基频f等于发射控制信号中指示的期望发射频率。每一数 字输出级31、32的输出根据其输入上的发射信号在电源电压和地之间交替。这些方波输出 信号通过输出电容器33、34导到天线输出端子10、11，其与发射器I中的其它电容协作以形 成阻抗变压器。这使天线输出端子10、11处的振幅能超过输出级31、32的输出上的振幅。
调制器4提供发射信号，使得在每一双放大器电路30内，数字输出级31、32接收 彼此倒向的发射信号。因而，每一双放大器电路30对跨天线输出端子10、11的差分电压提 供或正或负的贡献。七个一样的双放大器电路30可用，使能通过控制发射信号转变的定 时，或作为备选或另外通过使一个或多个发射信号空闲，而将功率放大器3的输出控制到 多个不同水平中的任一水平。功率放大器3的输出还可被整形以减少辐射谐波的量。为实 现此，调制器4可控制各个信号线路35、36上的发射信号的转变，使得给天线100的电传输 信号在每一采样间隔Ts期间尽可能接近纯正弦波信号。谐振电路2、100还用作陡带通滤 波器，其抑制谐波的主要部分。
解调器6根据来自控制单元7的接收控制信号中指示的接收频率、调制深度和调 制类型解调差分接收器输出信号。优选地，所接收的信号以与应用于所发射的电磁信号TX 的调制一样的类型调制，及用于信号发射和接收的数据速率相等。在该情形下，接收器5和 /或解调器6可包括用于改善位于谐振电路2、100的3-dB通带外面的电磁信号的接收的 装置(未示出)。前述装置例如可包括适于至少部分补偿谐振电路2、100引起的振幅和相位 变化的滤波器。前述装置例如在专利申请EP 2367294中描述。作为备选，发射器I可用于 以小于传输数据速率的数据速率接收信号。在该情形下，可省略用于改善带外接收的装置。 解调器6可从所接收的信号或作为备选从时钟信号得到解调时基。在后一情形下，时钟信 号还应从时钟端子12发送到解调器6。
接收器电路5使发射器I通过在接收模式和发射和/或校准模式之间切换而运行 为半双工收发器。在校准模式下，通过本领域已知的方法，接收器电路5还使外部单元304 (参见图4)能监视天线输出端子10、11上的电传输信号的振幅和/或相位，因而实现校准 的发射器输出及调谐谐振电路2、100的谐振频率。作为备选，发射器I可包括自己的、用于 监视电传输信号的振幅和/或相位的装置，如解调器6中的电路。控制单元7可接收前述 装置的输出并自动改变有效存储电容C以在发射期间实现最大的电传输信号振幅。谐振电 路2、100的前述自动调节或校准可在发射期间连续进行，以特定时间间隔进行，如每分钟、 每小时、每天或每周一次，或在特定事件时进行，如发射器I启动时。代替全功率传输的信 号，较弱测试信号的传输可用于校准。
图4示出了听力装置300，如助听器或有源耳朵保护装置，包括按如上所述配置的 发射器I和环路天线100。听力装置300还包括连接以形成音频信号通路307的传声器 301、前置放大器302、数字转换器303、信号处理器304、脉宽调制器305和扬声器306。听 力装置300还包括用于对发射器I和音频信号通路307中的装置302、303、304、305供电的 电池308。传声器301安排成接收来自个体环境的声输入信号并将对应的传声器信号提供 给前置放大器302。前置放大器302适于放大传声器信号并将放大的传声器信号提供给数 字转换器303。数字转换器303适于使放大的传声器信号数字化并将数字化的音频信号提 供给信号处理器304，其适于根据听力装置300的目的修改数字化的音频信号，即改善或提高个体的听觉能力。音频信号处理器304适于将修改后的音频信号提供给脉宽调制器305， 其适于将对应的脉宽调制信号提供给扬声器306。听力装置300适于安排在个体耳朵之处 或之中，及扬声器306安排成将对应于脉宽调制信号的声输出信号传给个体。
信号处理器304连接成接收来自发射器I的接收数据端子16的接收数据信号及 来自发射器I的校准数据端子17的校准数据信号。信号处理器304适于响应于接收数据 信号中包括的信息调节其数字化音频信号的修改和/或适于根据接收数据信号中包括的 音频信号提供修改的音频信号。这使听力装置300能响应于从远程设备(未示出)无线接收 的电磁信号中的命令、状态信息和/或音频信号改变其音频信号处理，和/或将前述音频信 号包括在扬声器306传输的声信号中。远程设备可以是遥控器、位于个体另一耳朵之处或 之中的第二听力装置、或辅助装置如所谓的音频网关设备，适于将来自外部装置如移动电 话或电视机的音频信号传给听力装置300。
信号处理器304还连接到发射器I的时钟端子12、模式输入端子14和调谐输入端 子15，及还适于提供对应的信号以按如上所述控制发射器I。信号处理器304还连接到发 射器I的数据输入端子13，及还适于将包括信息如命令、状态信息、控制信号和/或音频信 号的信息信号D提供给发射器I以传给远程设备，其可以是用于对侧耳朵的另一听力装置 或辅助装置。
音频信号通路307优选主要实施为在离散时域运行的数字电路，但其任何或所有 部分也可实施为在连续时域运行的模拟电路。音频信号通路307和/或发射器I的数字功 能模块可以硬件、固件和软件的任何适当的组合和/或硬件单元的任何适当的组合实施。 此外，任何单一硬件单元可并行或以交叉顺序和/或其任何适当的组合执行几个功能模块 的操作。
听力装置300可以是双耳听力系统的一部分。
发射器I可用在任何类型的装置中，用在电池驱动的装置和/或便携式装置中最有利。
在不背离本发明的精神和范围的情况下，可对所公开的方法、系统和/或装置进 行对技术人员显而易见的另外的修改。在本说明书内，任何前述修改以非限制性的方式提 及。下面的可能修改作为其例子提出。
在使能动态改变有效存储电容C的同时，储能器2和/或存储电路20可以许多备 选方式进行配置。更具体地，存储电路20的数量可变，这应用于存储电路20的总数、温度 计编码的阵列200中的存储电路数量、及二进制编码的阵列中的存储电路数量。
作为备选，功率放大器3可包括模拟输出级。放大器电路30可仅包括单输出的输 出级。放大器电路30的数量可变，及各个放大器电路30可彼此不同，例如最大功率不同。
控制单元7及与其相关联的控制信号的内容和发送可以许多备选方式实施。例 如，发射控制信号和接收控制信号可由外部单元提供。
作为MSK的备选，任何形式的调频或调相可用于将信息信号调制到载波信号上。 前述调制形式包括模拟调频、模拟调相、相移键控、频移键控及其组合。这些调制形式使模 拟和数字信息信号均能调制到载波信号上。尤其优选的调制技术包括最小移位键控及其它 多种已知的调制技术，其减小所发射的电磁信号TX的带宽因而使调制的信号能以最小衰 减通过谐振电路2、100和/或需要谐振频率&较少地动态改变。功率放大器3、调制器4、接收器电路5、解调器6和控制单元7显然需要适应前述改变的调制形式。
此外，采样间隔Ts、载波频率f。、相对数据速率和调制深度可非常自由地选择。例 如，载波频率f。可以低于100MHz、低于30MHz或低于10MHz。
发射器I可实施成使得其使谐振电路2、100能具有小于10% (Q>10)、小于5% (Q>20)、小于3% (Q> 33)、或小于2% (Q>50)的3dB带宽，取决于载波频率f。、信息信号D 的带宽、所希望的通信距离、可接受的误比特率、及发射器I用在其中的通信链路的其它要 求。
发射器I可实施成使得其使谐振电路2、100能调谐到低于100MHz、低于30MHz或 低于IOMHz的谐振频率&，主要取决于所希望的载波频率f。的范围。频率降低通常导致功 耗降低。然而，谐振电路2、100应优选调谐为形成具有高于300kHz、高于IMHz或高于3MHz 的谐振频率fo的窄带通滤波器以在通信链路中允许高数据速率(比特每秒)。优选的数据速 率高于40kb/s、高于80kb/s或高于160kb/s以使能通过发射器I传输和接收实时音频信 号。
天线100和/或发射器I可做成最大物理伸展小于5cm、小于2cm或小于Icm的尺 寸。小尺寸使能实施在小装置中。发射器I还可做成功耗小于10mW、小于3mW或小于ImW 的尺寸。这使能将发射器I用在电池供电的装置中，如体戴式听力装置300。
稳定的发射频率f\，f2可从发射器I包括于其中的装置300内的系统时钟信号得 到。作为备选，发射频率f\，f2可从专用振荡器如晶体振荡器或任何其它振荡器得到。
—些优选实施例已经在前面进行了说明，但是应当强调的是，本发明不受这些实 施例的限制，而是可以权利要求限定的主题内的其它方式实现。例如，所述实施例的特征可 任意组合，以使根据本发明的系统、装置和/或方法适应特定需要。
当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式
”中详细描述的及权利 要求中限定的系统和/或装置的结构特征可与本发明方法结合。方法的实施例具有与对应 系统和/或装置一样的优点。
权利要求中的任何附图标记和名称不意于限定其范围。
权利要求
1.用于经电短天线(100)发射电磁信号(TX)的合成频率RF发射器(I)，所述发射器(I)包括具有有效电抗(C)的电抗性储能器(2)，所述储能器适于与天线(100)形成具有谐振频率(fo)的谐振电路(2，100)，及包括适于向谐振电路(2，100)提供具有根据信息信号(D)变化的瞬时频率(f)的电传输信号的驱动器(3)，其特征在于所述发射器(I)适于通过根据信息信号⑶改变有效电抗(C)而动态改变谐振频率(&)。
2.根据权利要求1的发射器，还适于改变有效电抗(C)使得谐振频率沁)以与瞬时频率(f)的同时移位一样的方向移位。
3.根据权利要求1或2的发射器，还适于改变有效电抗(C)使得谐振频率(&)追随瞬时频率(f)。
4.根据前面任一权利要求的发射器，其中所述有效电抗(C)为电容性电抗。
5.根据前面任一权利要求的发射器，其中所述储能器(2)包括两个以上电抗元件(21，22，23)及连接成使能重新配置电抗元件(21，22，23)的一个以上开关(24，25)，及其中所述发射器(I)还适于通过操作至少一开关(24，25)在离散的时间点改变所述有效电抗(C)。
6.根据权利要求5的发射器，其中所述电抗元件(21，22，23)为电容器。
7.根据权利要求5或6的发射器，其中所述储能器(2)包括温度计编码的存储电路阵列(200)，每一存储电路(20)包括一个或多个电抗元件(21，22，23)。
8.根据权利要求7的发射器，其中所述储能器(2)还包括二进制编码的存储电路阵列，每一存储电路(20)包括一个或多个电抗元件(21，22，23)，二进制编码的存储电路阵列相较温度计编码的存储电路阵列(200)提供更高的有效电抗(C)变化分辨率。
9.根据权利要求7或8的发射器，还适于操作开关(24，25)使得在每一离散时间点，在有效电抗(C)变化时涉及温度计编码的存储电路阵列(200)中的最小量的存储电路(20)。
10.根据权利要求5-9任一所述的发射器，其中所述发射器(I)还适于对一个或多个开关(24，25)的操作定时使得开关(24，25)的闭合在跨相应开关(24，25)的电压处于最小值时进行。
11.根据前面任一权利要求的发射器，还包括连接成从谐振电路(2，100)接收信号的接收器电路(5)。
12.一种便携式装置，包括根据前面任一权利要求的发射器(I)。
13.一种听力装置(300)，包括根据权利要求1-11任一所述的发射器(I)。
14.根据权利要求1-11任一所述的发射器(I)的用途，用于经电短天线(100)发射电磁信号。
15.连接到电短天线(100)的合成频率RF发射器⑴的运行方法，所述发射器⑴包括具有有效电抗(C)的电抗性储能器(2)，所述储能器适于与天线(100)形成具有谐振频率(f0)的谐振电路(2，100)，所述方法包括向谐振电路(2，100)提供具有根据信息信号(D)变化的瞬时频率(f)的电传输信号；及通过根据信息信号(D)改变有效电抗(C)而动态改变谐振频率(fQ)。
全文摘要
本发明公开了用于电短天线的RF发射器，所述发射器(1)包括具有有效电抗(C)的电抗性储能器(2)，所述储能器适于与天线(100)形成具有谐振频率(f0)的谐振电路(2,100)，及包括适于向谐振电路(2,100)提供具有根据信息信号(D)变化的瞬时频率(f)的电传输信号的驱动器(3)，其中所述发射器(1)适于通过根据信息信号(D)改变有效电抗(C)而动态改变谐振频率(f0)。因而谐振电路(2,100)的瞬时通带可控制成总是包括电传输信号的因而电磁信号(TX)的瞬时频率(f)，从而有效地传输带宽超过调谐天线的通带的电磁信号。本发明发射器(1)相当简单、效率高且易于控制。
文档编号H03J7/02GK103036531SQ201210376908
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月29日 优先权日2011年10月6日
发明者K·T·克里斯滕森 申请人:奥迪康有限公司