自动阻抗调节的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阻抗调节，更具体地，涉及用于自动将网络阻抗调节为目标阻抗的装 置和方法。
【背景技术】
[0002] 阻抗匹配是公知的，并且涉及最大化从电源到阻抗不同的电负载的电能传输。例 如，可以在电源（例如包括RF放大器）和负载（诸如天线）之间提供阻抗匹配。
[0003] 高功率传输效率旨在使负载消耗几乎100 %的RF功率，而使电源由于例如RF放大 器的内阻造成的耗散几乎为0%。因此，电源应该具有低输出阻抗，而负载应该具有固定输 入阻抗，该固定输入阻抗的值对于消耗由电源提供的所有电能而言是最佳的。这可以通过 电抗匹配来实现，其中，负载输入阻抗和电源输出阻抗的虚部相互补偿，并且负载输入阻抗 的实部具有比电源输出电阻的实部更高的最佳值。
[0004] 这种类型的阻抗调节对于AC电系统来讲尤其具有挑战性，这是因为负载的电分 量的阻抗和/或行为会随着电信号的频率而改变或者在不同的操作条件下改变。
[0005] 使用阻抗调节的一个领域是在诸如由邻近、附近和近场通信（NFC)标准定义的系 统的无接触通信系统中使用的邻近读取器。例如，NFC读取器可使用在天线和集成驱动器 放大器之间的窄带阻抗调节网络。
[0006] US 2013/0109305或W0 2012/103222描述了用于自动匹配NFC天线的阻抗的多种 方法。
[0007] 然而，天线阻抗不是固定的。对于无接触通信技术而言，天线阻抗可以根据多种因 素而改变，所述多种因素包括制造公差（尤其是经常被用于操作金属上的NFC天线的铁氧 体箱）、天线的环境温度、NFC标签在操作时距金属部件或无接触卡的距离。
[0008] 由天线网络呈现的阻抗与包括集成放大器的NFC芯片输出的不匹配（例如，从 500hm到100hm的改变）意味着：在天线处需要多五倍的功率来实现相同的交流磁场。
[0009] 此外，明显电抗的负载阻抗对于放大器而言可能会带来更大的问题，这是因为它 会导致更多的谐波发射，这可能受到技术规范或标准的频率约束的限制。总体而言，读取器 天线网络的谐振频率的移位意味着对于到天线网络中的相同输入功率而言，由天线发射的 磁场更弱。此外，这可能导致违反规范或标准的调制失真并因此还可能导致通信问题。
【发明内容】
[0010] 本发明涉及通过将要提供电能的网络的阻抗自动调节为目标阻抗来提高电能传 输的效率，并由其适用于无接触电能传输和通信应用。
[0011] 本发明的第一方面提供一种用于自动调节网络的阻抗以匹配目标阻抗的装置，所 述装置包括：电源，被配置为将AC电能传送到目标阻抗；网络，具有用于从电源接收驱动 信号的输入端和能够连接到天线的输出端，所述网络包括在所述输入端和是输出端之间的 分流电抗以及至少一个可变阻抗元件；相位测量电路，被布置为使用所述分流电抗两端的 电压降来在所述网络中测量所述驱动信号的电压和所述驱动信号的电流之间的相位差；电 压测量电路，被布置为测量所述驱动信号的电压的幅值和所述分流电抗两端的电压降的幅 值；自动阻抗调节电路，与所述可变阻抗元件、所述相位测量电路和所述电压测量电路通 信，并被布置为接收测量相位差、所述驱动信号的电压的测量幅值以及所述分流电抗两端 的电压降的测量幅值，以根据它们确定所述网络的阻抗，并自动地通过输出用于调节所述 可变阻抗元件的阻抗的控制信号来减小所述网络的所确定的阻抗和目标阻抗之差。
[0012] 分流电抗的使用允许在网络的诸如频率和功率的操作条件下测量阻抗，这对于在 网络中存在取决于频率和功率的组件的情况是有益的。
[0013] 电源可被配置为以最优效率将AC电能传送到目标阻抗。目标阻抗可以是完全的 实阻抗。目标阻抗可以在10 Ω至50 Ω的范围内，尤其在20 Ω至40 Ω的范围内，最好在 25 Ω至35 Ω的范围内，例如30 Ω。
[0014] 所述网络可包括多个可变阻抗元件。所述网络可包括第一可变阻抗元件和第二可 变阻抗元件。所述自动阻抗调节电路可以被布置为输出用于调节第一可变阻抗元件的阻抗 的第一控制信号和用于独立于第一可变阻抗元件调节第二可变阻抗元件的阻抗的第二控 制信号。调节第一可变阻抗元件可以通过补偿所述网络的阻抗的任何虚部而使得所述网络 的阻抗完全是实阻抗。调节第二可变阻抗元件可以将所述网络的阻抗的幅值改变为更接近 于目标阻抗的幅值。此外，独立地调节可变阻抗元件使得所述网络的阻抗的改变更小，从而 可以改善与目标阻抗的匹配。
[0015] 第一可变阻抗元件可以与所述输入端和所述输出端串联，和/或第二可变阻抗元 件可以与所述输入端和所述输出端并联。
[0016] 所述或每个可变阻抗元件可以是电容器或电容器网络。所述电容器网络可包括电 控开关，所述开关可操作为改变电容器网络的阻抗。所述电容器网络可被设置为集成电路。
[0017] 所述分流电抗可以是分流电容器。分流电容器可以不在网络中提供额外损耗。
[0018] 所述分流电抗可以是分流电感器。所述网络可包括EMC滤波器。当所述分流电抗 是分流电感器时，所述电感器还可以形成EMC滤波器的一部分。可以在电源产生具有方波 波形的驱动信号时设置EMC滤波器。
[0019] 所述网络可以不包括EMC滤波器。当电源产生正弦驱动信号时可以不在所述网络 中设置EMC滤波器。分流电抗可以是不提供额外损耗的分流电容器、或者是虽然提供更大 的损耗但是提供一些滤波的分流电感器。
[0020] 所述自动阻抗调节电路可以实现用于减小所述网络的阻抗和目标阻抗之差的算 法。所述算法可以是迭代算法。所述算法可以最小化所述网络的阻抗和目标阻抗之差。所 述算法可以基于或使用牛顿方法。这提供用于确定近似解的计算上可实现的算法，并因此 可以在不使用精确解的情况下实现阻抗调节。
[0021] 所述算法可以按照交替迭代轮流调节第一可变阻抗元件和第二可变阻抗元件的 阻抗。这实现阻抗的更小的改变，并因此可提供更好的阻抗匹配。此外，这可通过补偿所述 网络的阻抗的任何虚部而使得所述网络的阻抗变为实阻抗，并允许对所述网络的阻抗的幅 值的调节。
[0022] 所述迭代算法可以使用雅克比矩阵的近似。这允许在不存在可微分函数的情况下 找到近似解。雅克比矩阵的近似的元素可以包括所述网络的电抗的当前值和先前值之差与 所述可变阻抗元件的电容的当前值和先前值之差的商、和/或所述网络的电阻的当前值和 先前值之差与所述可变阻抗元件的电容的当前值和先前值之差的商。
[0023] 本发明的第二方面提供一种半导体封装，包括引线框和集成电路，其中，所述集成 电路包括如前述任意一项权利要求所述的装置。
[0024] 本发明的第三方面提供一种包括根据本发明的第二方面的封装和连接到所述网 络的输出端的天线的设备。所述设备可被配置为以读取器模式、卡模拟模式或点对点模式 操作。所述设备可以是NFC设备、邻近设备或FeliCa设备。
[0025] 本发明的第四方面提供一种用于自动调节网络的阻抗以匹配目标阻抗的方法，所 述方法包括：使用在网络的输入端和天线之间串联的分流电抗两端的电压降，来确定施加 到所述网络的输入端的AC驱动信号的电压与所述AC驱动信号的电流之间的相位差；确定 所述驱动信号的电压的第一峰值幅值和所述分流电抗两端的电压降的第二峰值幅值；通过 调节所述网络中的可变阻抗元件的阻抗，迭代地减小使用所述相位差以及第一峰值幅值和 第二峰值幅值确定的所述网络的阻抗与目标阻抗之差。
[0026] 基于牛顿方法的算法可用于迭代地减小所述网络的阻抗和目标阻抗之差。
[0027] 迭代地减小所述差还可包括按照交替迭代轮流改变串联在所述网络中的第一可 变阻抗元件的阻抗和改变并联在所述网络中的第二可变阻抗元件的阻抗。
[0028] 本方法的其它优选特征可对应于本发明的第一方面的优选特征的相应特征。
【附图说明】
[0029] 现在将仅通过示例的方式并参照附图描述本发明的实施例，其中：
[0030] 图1示出根据本发明的电系统和阻抗调节装置的示意框图；
[0031] 图2A至图2D分别示出图1的阻抗调节装置的负载网络的电压测量部的第一至第 四实施例；
[0032] 图3示出显示了阻抗调节装置的相位测量电路部和电压测量电路部的示意框图；
[0033] 图4示出在图1的阻抗调节装置中使用的可变电容网络的示意框图；
[0034] 图5示出显示了根据本发明且由图1的阻抗调节装置实施的自动阻抗匹配方法的 流程图。
【具体实施方式】
[0035] 现在将在近场通信（NFC)的上下文中描述本发明的实施例。然而，将理解本发明 不必受限于该特定应用。相反，本发明的原理可以应用于利用天线的并且改善电源和天线 之间的电能传输会是有益的其它无线或无接触电系统。
[0036] 参照图1，示出了包括根据本发明的阻抗匹配装置且根据本发明的方法操作的无 线或无接触电