用于感测并计算负载阻抗的简单且微创的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于双端口网络的直接负载阻抗计算的系统及方法。对于连接在第一端口与第二端口之间的双端口网络，所述方法可包括以下步骤：限定等效PI网络，所述等效PI网络包括与第一端口进行通信的第一等效网络元件、与第二端口进行通信的第二等效网络元件和连接在第一端口与第二端口之间的第三等效网络元件。线性无源负载可连接到双端口网络的第二端口，可测量通过线性无源负载、第二等效网络元件和第三等效网络元件的电流，并且基于第一端口处的电压和第二端口处的电压的预定值，可确定线性无源负载的负载阻抗。
【专利说明】用于感测并计算负载阻抗的简单且微创的方法及系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及并要求于2011年3月21日提交的美国专利申请序列号61//454，844的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
【技术领域】
[0003]本文中公开的主题大体上涉及用于操作电子设备的系统及方法。更具体地，本文中公开的主题涉及用于感测并计算可调谐匹配网络的负载阻抗的系统及方法。
【背景技术】
[0004]期望可调谐匹配网络在实现自适应且可重构无线电前端架构中发挥重要作用。一个特定实施例为使用可调谐天线阻抗匹配网络，对于由用户接近效应引起的手机天线阻抗失配损耗进行补偿。
[0005]不同匹配网络拓扑结构在文献中已有报道。基本L型网络可实现在有限史密斯圆图区上的共轭匹配。另一方面，Pi网络提供额外自由度，使在更大阻抗范围内共轭匹配成为可能。在组件值范围为无限[0，-]的理想情况下，Pi网络可提供完整史密斯圆图覆盖范围，并且通过使用本领域已知的方法，可计算完美共轭匹配的组件值。
[0006]组件可调谐范围的有限性归因于实际实施限制，诸如寄生影响和组件属性。对于有限组件调谐范围的匹配网络，只有当负载阻抗位于匹配域内时，才可实现完美共轭匹配。实际上，网络组件可用范围可为预定，并且未知负载阻抗可能经常位于匹配域外。因此，在有限组件调谐范围的实际阻抗调谐器中，其中完美共轭匹配可能不存在，最优化技术已经普遍用于使反射信号最小化(例如，使VSWR最小化)。诸如单步单纯形法、遗传法或者模拟退火的不同最优化方法已经用于使网络输入反射系数尽可能多地最小化或者至少降低到容许水平。这些最优化方法通过迭代过程来搜寻正确组件调谐设置，消耗大量时间以达到调谐目标。此外，根据优化程序选择及其初始设置，收敛于局部最小存在风险。
[0007]因此，期望开发直接计算最终阻抗匹配组件调谐设置的确定性方法，以减少调谐时间且避免中间调谐状态。所述调谐方法的关键方面在于确定负载阻抗的方法，所述方法也确定等效导纳和复数反射系数。期望确定负载确定以最小增加损耗、大小和复杂性完成。
【发明内容】
[0008]根据本发明，提供了用于双端口网络的直接负载阻抗计算的系统及方法。在一个方面，对于连接在第一端口与第二端口之间的双端口网络，所述方法可包括以下步骤:限定等效PI网络，所述等效PI网络包括与第一端口进行通信且具有第一导纳的第一等效网络元件、与第二端口进行通信且具有第二导纳的第二等效网络元件和连接在第一端口与第二端口之间且具有第三导纳的第三等效网络元件。线性无源负载可连接到双端口网络的第二端口，可测量通过线性无源负载、第二等效网络元件和第三等效网络元件的电流，并且基于第一端口处的电压和第二端口处的电压的预定值，可确定线性无源负载的负载阻抗。[0009]虽然本文中所公开主题的一些方面在上文已经详述，并且所述方面全部或者部分通过本发明公开主题实现，但是当在下文结合附图进行说明时，随着说明进行，其它方面将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]通过以下应当结合附图阅读的【具体实施方式】，本发明主题的特征和优点将更容易理解，附图仅以说明性且非限制性实施例方式给出，其中:
[0011]图1A为示出使电压驻波比最小化的调谐方法的史密斯圆图覆盖成功的图表；
[0012]图1B为示出由基于电压驻波比最小化调谐的网络输出的电力的曲线图；
[0013]图2A为示出使换能器增益最大化的调谐方法的史密斯圆图覆盖成功的图表；
[0014]图2B为示出由基于换能器增益最大化调谐的网络输出的电力的曲线图；
[0015]图3为示出50欧姆损耗中具有0.2dB的20dB定向耦合器的有效损耗随由理想无损调谐器调谐后的天线VSWR变化的曲线图；
[0016]图4A为理想可调谐低通Pi网络的电路拓扑结构；
[0017]图4B为具有固定电感器和可调谐电容器的实际pi网络调谐器的等效电路的电路拓扑结构；
[0018]图5为根据本发明实施方案的双端口匹配网络的电路拓扑结构；
[0019]图6为图14中所示连接到任意线性无源负载的双端口网络的电路拓扑结构；
[0020]图7为VSWR随使用调谐器和不使用调谐器的给定天线阻抗频率变化的曲线图；以及
[0021]图8为根据本发明实施方案的闭环阻抗匹配控制系统的概念性方块图。
【具体实施方式】
[0022]本发明提供了可用于感测并计算存在于网络的一个端口处负载阻抗的系统及方法。在双端口网络为可调谐的情况下(特别是，在负载或阻抗调谐器的情况下)，这个负载信息可与相应算法一起用于控制整个电路响应。对于调谐器情况，将设置调谐器以使输出给所测量负载的电力最大化。在一个方面，所述系统及方法可为基于闭式公式和直接计算程序。虽然本文中使用术语“负载阻抗”，但是本领域一般技术人员应当理解，本文中公开的系统及方法可应用于确定负载阻抗、导纳和/或反射系数。
[0023]人们认可，在无损匹配网络情况下，用于实现共轭匹配或者使反射系数最小化的调谐是指使到负载的电力传输最大化。然而，实际上，匹配网络具有一定量的损耗，并且反射系数最小化并不一定导致电力传输最大化。因此，在最终匹配目标为使输出给负载的电力最大化的情况下，基于(或者部分基于)使输入反射系数最小化的任何阻抗匹配方法仅对于无损和低损匹配网络或者调谐器具有良好精度。
[0024]这个方法的应用范围不排除天线阻抗调谐控制，因为它可例如且不限于用于可调谐或不可调谐匹配网络设计或者性能分析以取代最优化工具。
[0025]这个方法还避免了对外部传感器元件的需要，因而成本、大小和损耗比其它方法更低。
[0026]在一个方面，所公开的系统及方法可用于基于输入电压驻波比(VSWR)和换能器增益和/或相对换能器增益来评估并调整调谐器性能。调谐器输入端口处VSWR与其输入反射系数(r in)有关，如:
[0027]
【权利要求】
1.一种用于双端口网络的直接负载阻抗确定方法，所述方法包括以下步骤: 对于连接在第一端口与第二端口之间的双端口网络，限定等效PI网络，所述等效PI网络包括与所述第一端口进行通信且具有接地的第一导纳的第一等效网络元件、与所述第二端口进行通信且具有接地的第二导纳的第二等效网络元件和连接在所述第一端口与所述第二端口之间且具有第三导纳的第三等效网络元件； 将线性无源负载连接到所述双端口网络的所述第二端口； 测量所述第一端口处的第一电压和所述第二端口处的第二电压；以及 基于所述第一电压和所述第二 电压的值，确定所述线性无源负载的负载阻抗。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述第一端口处的第一电压和所述第二端口处的第二电压包括:测量通过所述线性无源负载、所述第二等效网络元件和所述第三等效网络元件的电流，并且基于所测量的所述电流、所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳之间的关系，确定所述第一电压和所述第二电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述线性无源负载的负载阻抗包括:基于所述负载阻抗与所述第一电压、所述第二电压、所述第二导纳和所述第三导纳的关系，确定所述负载阻抗。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述关系包括: V1=(V1A2-1)Ys-Y2, 其中A为所述负载阻抗，V1为所述第一端口处的电压，V2为所述第二端口处的电压，Ys为所述第三导纳，以及Y2为所述第二导纳。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括:调整所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳中的一个以上，以实现所述负载阻抗的更精确值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳中的一个以上包括:利用得自所感测负载阻抗的值，将分析调谐法应用于所述第一等效网络元件、所述第二等效网络元件和/或所述第三等效网络元件中的一个以上。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳中的一个以上包括:将所述双端口网络的相对换能器增益最大化为所感测的负载阻抗。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳的一个以上包括:使所述双端口网络的电压驻波比与所述负载阻抗一起最小化。
9.一种用于双端口网络的直接负载阻抗确定系统，所述系统包括: 双端口网络，连接在第一端口与第二端口之间，所述双端口网络包括与所述第一端口进行通信且具有第一导纳的第一等效网络元件、与所述第二端口进行通信且具有第二导纳的第二等效网络元件和连接在所述第一端口与所述第二端口之间且具有第三导纳的第三等效网络兀件； 线性无源负载，连接到所述双端口网络的所述第二端口 ； 藉此，所述系统被构造为测量所述第一端口处的第一电压和所述第二端口处的第二电压，并且被构造为基于所述第一电压、所述第二电压、所述第一导纳、所述第二导纳和所述第三导纳的关系，确定所述线性无源负载的负载阻抗。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述双端口网络包括调谐器。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述系统包括传感器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述传感器包括感测电路，所述感测电路被构造为测量所述第一电压和所述第二电压且确定所述线性无源负载的所述负载阻抗。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述感测电路包括高比例分压器、对数放大器、鉴相器或A/D转换器中的一个以上。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述感测电路作为所述双端口网络的可调谐元件集成到常见半导体芯片中。
15.根据权利要求9所述的系统，所述系统包括控制器，所述控制器被构造为调整所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳中的一个以上以在所述感测频率处实现换能器增益和/或VSWR的期望值。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制器被构造为基于所述感测频率处的阻抗，调整所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳中的一个以上以在与所述感测频率不同的频率处实现换能器增益和/或VSWR的期望值。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制器被构造为基于所述感测频率处的负载阻抗，调整所述第一导纳、所述第二导纳或者所述第三导纳中的一个以上以在两个以上频率实现换能器增益和/或VSWR的期望值。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的系统，其中，所述控制器作为所述双端口网络的可调谐元件集成到常 见半导体芯片中。
【文档编号】G01R27/08GK103562736SQ201280022293
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年3月21日 优先权日:2011年3月21日
【发明者】阿瑟·S·莫里斯 申请人:维斯普瑞公司