CN101002360A - 用于将天线阻抗匹配到通信波段中的分波段的系统和方法 - Google Patents

用于将天线阻抗匹配到通信波段中的分波段的系统和方法 Download PDF

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Abstract

已经提供了用于选择性地匹配通信带宽分段阻抗的分波段天线匹配方法和天线匹配系统。所述方法包括：从天线接受频变阻抗；以及在第一通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配。在某些方面中，所述方法在第二通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配。更具体地，所述方法包括：将第一调谐电路调谐到第一频率；同时将第二调谐电路调谐到第二频率，以便在所述第一通信波段的低端对天线进行匹配。同样地，所述第一调谐电路被调谐到第三频率以及所述第二调谐电路被调谐到第四频率，以便响应于所述第三和第四频率而在所述第一通信波段的高端对天线进行匹配。

Description

用于将天线阻抗匹配到通信波段中的分波段的系统和方法
相关申请
本申请与共同所有权的题为“用于将天线阻抗匹配到通信波段中的分波段的系统和方法”的第10/899,218号共同未决的美国专利申请相关，该申请的全部内容通过引用而并入本文。
本申请还与下面两个与上述共同未决的美国申请在同一天提交的并具有相同发明人的未决的美国申请有关：题为“用于双波段天线匹配的系统和方法”的第10/899,278号美国专利申请以及题为“全双工天线系统和方法”的第10/899,285号美国专利申请，上述两个申请的内容通过引用而并入本文。
发明背景
1.技术领域
本发明一般涉及无线通信天线，更具体地说，涉及用于选择性地将天线匹配到通信波段中被选择的分波段的系统和方法。
2.背景技术
随着便携式无线通信设备(例如电话)的功能不断增加，其尺寸却在不断缩小。因此，在不方便的位置对元件进行封装时，设计者必须提高元件或设备子系统的性能并减小其尺寸。这些元件的关键之一为无线通信天线。该天线例如可以与电话收发器或全球定位系统(GPS)接收机相连。
目前的无线电话预期可以工作在多个不同的通信波段中。在美国，使用850兆赫兹(MHz)左右的蜂窝波段(AMPS)、以及1900MHz左右的PCS(个人通信系统)波段和DCS波段。其他的通信波段包括在约为1800MHz的PCN(个人通信网络)、约为900MHz和1830MHz的GSM系统(移动特别小组)以及约为800MHz和1500MHz的JDC(日本数字蜂窝)。其他感兴趣的波段为在大约1575MHz处的GPS信号、在大约2400MHz处的蓝牙以及在大约1850到2200MHz处的宽带码分多址接入(WCDMA)。
无线通信设备被公知为将简单的圆柱形线圈或鞭状(whip)天线用作主要的或辅助的通信天线。倒F形天线也是较普遍的。天线的谐振频率响应于其电气长度(electrical length)，而电气长度构成了工作频率波长的一部分。无线设备天线的电气长度通常为四分之一波长的倍数，例如5λ/4、3λ/4、λ/2、或λ/4，其中λ为工作频率的波长，而有效的波长响应于天线辐射器的物理长度和邻近介电常数。
通常，每个无线设备收发机(接收机和/或发射机)都与在特定通信波段内共振的分立天线相连。尽管天线可以在整个通信波段内相当好地共振，但是不能够在通信波段内的每个信道对天线进行最佳调谐。因而，宽带调谐的代价是损失了最佳效率。
许多现代无线通信设备都工作在多个通信波段。然而，当便携式无线设备并入了多个工作在不同通信波段的收发机、或者并入可以被调谐以工作在多个通信波段的一个收发机时，则难以在便携式无线设备中定位分立的天线。强力的方法是为每个通信波段增加不同的谐振器或天线。例如，公知的是将具有不同面积的两个微波带贴片进行堆叠，以创建非协调地相关的谐振频率响应。然而，这种设计可能不足以覆盖所有需要的频率(通信波段)。一种用于上述天线的工作方案是加宽较高通信波段的带通响应以覆盖例如GPS和PCS通信，和采用较低的通信波段而在蜂窝波段(AMPS)频率进行谐振。然而，将较高波段进行加宽以改善GPS和PCS性能的代价是损坏了蜂窝波段的性能。
传统的天线设计使用电介质材料。一般而言，天线所产生的电场的一部分会通过电介质而从辐射器返回到地网(地面)。天线被调谐到在多个频率进行谐振，并且辐射器的波长与介电常数在谐振频率处具有最佳关系。最常见的电介质是空气，其介电常数为1。其他材料的介电常数是相对于空气而被定义的。
铁电材料具有响应于施加的电压而改变的介电常数。由于铁电材料具有可变的介电常数，因此铁电材料是用于制作可调谐元件的较好的候选材料。传统的测量技术已将铁电元件的特点描述为具有相当大的损耗，而未考虑用于改善其损耗特性的处理、掺杂或其他制作技术。经意识到工作在RF或微波区域的铁电可调谐的元件是特别有损耗的。该观察结果得到雷达应用中的实践验证支持，例如，在雷达应用中，作为传统规则，块状(厚度约大于1.0mm)FE(铁电)材料具有高射频(RF)或微波损耗，尤其是在希望达到最大调谐时。通常，大多数FE材料都是有损耗的，除非采取措施来改善(减小)其损耗。这种措施包括但不限于：(1)在沉积前后退火、或者在沉积前后退火以补偿O2的空位，(2)采用缓冲层来减小表面压力，(3)采用其他材料熔合或缓冲以及(4)选择性的掺杂。
由于近年来对较低功率元件在有限范围进行调谐的要求不断提高，因此对于铁电材料的兴趣已调整到使用薄膜材料而不是块状材料。然而，高铁电损耗的假设在薄膜工作中也是成立的。传统宽带测量技术已经证实了在可调谐的铁电元件(块状或薄膜)具有基本损耗的假设。例如，在无线通信匹配电路中，在大约2GHz频率处大于40、优选大于180、以及更优选大于350的Q是必不可少的。同样的假设也同样适用于天线接口电路和收发机的设计。
在各种频率敏感(agile)电路中可以采用可调谐的铁电元件、尤其是采用薄膜的铁电元件。由于可调谐的元件允许电路被调谐到可选信道或通信波段中的分波段，因此可调谐的元件是期望的。覆盖多个分波段的可调谐的元件潜在地减少了设备中元件的总数，这是由于分散波段的频率固定的元件及其相关的开关不再是必要的。当无线手持设备的设计要求在增强功能的同时要求降低成本和尺寸看上去相互矛盾时，这些优点是特别重要的。例如，对于CDMA手持设备来说，非常强调单独元件的性能。FE材料还可以允许到目前为止已经抗收缩的RF元件的集成。
在上面列举的相关申请中已经公开了可调谐的天线的设计，并且利用FE电介质天线来实现最佳分波段谐振也是有可能的。然而，可调谐的天线相对较复杂，并且建造它比建造传统固定频率的天线也更昂贵。
如果在通信波段中特定的被选择的信道对天线进行最佳匹配，那么则将是有利的。
如果上述的信道匹配天线具有固定的阻抗，那么则将是有利的。也就是说，如果可以利用非调谐天线来执行信道选择能力，那么这将是有利的。
如果可以利用可调谐的天线匹配电路来获得上述的信道选择能力，那么这将是有利的。
发明内容
本发明描述了可被调谐以在所选的信道或通信波段的分波段提供最佳匹配阻抗的天线匹配系统。在未使可调谐天线复杂化或不具有与多个可选天线或宽带天线的使用相关的较大波形因数的情况下，所述最佳匹配允许较高的效率、较低的接收机背景噪声、较低的发射机功率或最佳带宽。本发明还允许天线匹配响应于便携式无线设备与非常接近的人体的相互作用而导致的负载中的变化。
因此，提供了一种用于对天线进行分波段阻抗匹配的方法。所述方法包括：从天线接受频变阻抗；以及在第一通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配。在某些方面中，所述方法进一步包括在第二通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配。也就是说，可以将所述天线匹配到两个单独的通信波段之一中的指定信道。
更具体地，所述方法包括：将第一调谐电路调谐到第一频率；同时地将第二调谐电路调谐到第二频率。然后，可以响应于所述第一和第二频率而在所述第一通信波段的低端对所述天线进行匹配。同样地，如果所述第一调谐电路被调谐到第三频率以及所述第二调谐电路被调谐到第四频率，那么则可以响应于第三和第四频率而在所述第一通信波段的高端对天线进行匹配。
如果所述第一调谐电路被调谐到第五频率以及所述第二调谐电路被调谐到第六频率，那么则响应于第五和第六频率而在所述第二通信波段的低端对天线进行匹配。同样地，如果所述第一调谐电路被调谐到第七频率以及所述第二调谐电路被调谐到第八频率，那么则响应于第七和第八频率而在所述第二通信波段的高端对天线进行匹配。在某些方面中，利用具有对控制电压敏感的可变介电常数的铁电(FE)材料实现频率调谐。
下面提供上述的方法附加的细节、用于选择性地匹配通信带宽分段阻抗的天线匹配系统以及具有带宽分段天线匹配系统的无线通信设备。
附图说明
图1是本发明的用于选择性地对通信带宽分段阻抗进行匹配的天线匹配系统的示意性方框图；
图2是说明分波段天线匹配的选择的图；
图3a和3b是更为详细地描述图1的分波段匹配电路的示意性方框图；
图4是分散元件(distributed)间隙电容器(gap capacitor)的平面图；
图5是重叠电容器(overlay capacitor)的截面图；
图6是交叉指型(IDC)电容器的平面图；
图7是描述两种可能的“L”匹配电路结构的示意图；
图8是描述π匹配网络的示意图；
图9是描述“T”匹配网络的示意图；
图10是具有带宽分段天线匹配系统的、本发明的无线通信设备的示意性方框图；
图11是说明本发明用于对天线进行分波段阻抗匹配的方法的流程图；
图12是描述天线的回波损耗和图3b的匹配电路的图；
图13是描述天线的回波损耗和图3b的匹配电路的图，其中匹配电路被调谐到蜂窝通信波段中的高分波段。
图14说明了在蜂窝和PCS通信波段的示例性天线的史密斯图和回波损耗幅度图；
图15是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中匹配电路位于蜂窝通信波段的低分波段；
图16是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中匹配电路位于蜂窝通信波段的高分波段；
图17是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中所述匹配电路位于PCS通信波段的低分波段；以及
图18是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中所述匹配电路位于PCS通信波段的高分波段。
具体实施方式
图1是本发明的用于选择性地匹配通信带宽分段阻抗的天线匹配系统的示意性的方框图。系统100包括具有位于线路104上的具有频变(frequency dependent)阻抗的接口端口的天线102。分波段匹配电路106具有位于线路104上的、与天线接口端口相连的输出端口。分波段匹配电路106在第一通信波段的分波段选择性地提供共轭阻抗。在最简单的形式中，分波段匹配电路106在第一通信波段的低端和高端选择性地提供共轭阻抗。
应当理解，天线将在某种程度上发挥作用，即使它被较差地匹配。某些传统的天线/匹配电路设计能够通过在整个波段内提供广泛变化的匹配而覆盖整个通信波段。匹配较差的天线可能会由于匹配电路接口处的功率反射(power reflection)而降低效率。使用匹配较差或效率低的天线会降级接收机背景噪声(noise floor)。此外，使用匹配较差或效率低的天线可以导致较低功率的发送信号，从而迫使发射机补偿附加电池功率的使用。
应当理解，天线102不可能在所有感兴趣的频率内提供不变的阻抗。通常，天线具有复数阻抗，即，电阻和电抗的组合(假想的阻抗)，并且该复数阻抗将在通信波段内变化。然而，如果固定天线的阻抗，则可以确定通信波段(频带)的各个分波段中的阻抗。分波段匹配电路106能够为每个天线的复数阻抗提供共轭阻抗。可选地，分波段匹配电路106可能会在各个分波段提供不同的共轭匹配(复数阻抗)。
应当理解，共轭阻抗和与其匹配的阻抗相比，实数值相同，虚数值相反。例如，对于位于第一通信波段中心的(25+13j)欧姆的天线阻抗值来说，共轭阻抗为(25-13j)欧姆。理想的共轭匹配是罕见的，除非在指定的频率处。因此，在分波段的中心，共轭匹配通常被优化，并且/或者人们努力使分波段匹配电路阻抗在分波段内追随(track)天线阻抗。尽管理论上可以建立匹配电路来为任何阻抗提供共轭匹配，但是应当理解，天线可能会并入可以在整个通信波段内提供便利阻抗(使其易于匹配)的某些固定调谐的元素或结构。
在系统100的某些方面中，分波段匹配电路106在第二通信波段的分波段提供共轭阻抗。在最简单的形式中，分波段匹配电路106在第二通信波段的低端和高端选择性地提供共轭阻抗。应当理解，匹配电路无需一定同时在第一和第二通信波段内提供共轭匹配。也就是说，匹配电路可以被操作为选择性地在第一或第二通信波段内提供共轭匹配。
图2是说明分波段天线匹配选择的图。图中示出了第一和第二通信波段。图中还示出了四个不同的分波段，其中两个分波段位于第一通信波段中，两个分波段位于第二通信波段中。尽管频带宽度被示出为两个通信波段是隔开的，但是在其他方面中所述两个通信波段是邻近的或重叠的。同样地，分波段也可以被频带宽度隔开、或者可以是邻近的或重叠的。尽管仅示出了两个通信波段，但是应当理解，系统可以扩展到三个或更多的通信波段中的天线匹配分波段。此外，尽管对于每个通信波段仅示出了两个分波段，但是在系统的其他方面中每个通信波段可以被分割为两个以上的分波段。也就是说，分波段匹配电路可以在第一通信波段中的多个分波段和/或在第二通信波段中的多个分波段提供共轭阻抗。应当理解，本发明的匹配系统可以用于补偿和信道选择。例如，系统可以用于补偿由靠近天线的人体或其他物体造成的失谐影响。
图3a和3b是更为详细地描述图1的分波段匹配电路106的示意性的方框图。在图3a中，分波段匹配电路106包括第一调谐电路300和第二调谐电路302。分波段匹配电路106响应于将第一调谐电路300调谐到第一频率以及将第二调谐电路302调谐到第二频率，而在第一通信波段的低端选择性地提供共轭阻抗。响应于将第一调谐电路300调谐到第三频率以及将第二调谐电路302调谐到第四频率，而在第一通信波段的高端提供共轭阻抗。尽管第一和第二调谐电路300/302被示出是串联连接的，但是并联的调谐拓扑在本领域中也是众所周知的。尽管没有示出，但是在一些设计中可以将隔直流电容器(blockingcapacitor)插入天线102与分波段匹配电路106之间的传输线路104中。
如果系统也在第二通信波段中调谐天线，那么则响应于将第一调谐电路300调整到第五频率以及将第二调谐电路302调整到第六频率，而在第二通信波段的低端提供共轭阻抗。同样地，响应于将第一调谐电路300调整到第七频率以及将第二调谐电路308调整到第八频率，而在第二通信波段的高端提供共轭阻抗。
在某些方面中，第一和第二调谐电路300/302均包括具有介电常数响应于控制电压的铁电(FE)电介质材料、和分别位于线路304和306中以接收控制电压的接口。在一个方面中，调谐电压和介电常数之间存在线性关系。在另一个方面中，所述关系是至少比变容二极管的电压/电容曲线更线性的，尤其是在0和3伏之间的调谐范围内。FE材料可以是可调谐的电容器中的电介质材料，或者是靠近分立电感器或微波带电感器的电介质材料，这里仅列举出几个例子。第一和第二调谐电路300/302优选对0到3伏范围内的控制电压作出响应。该电压范围可由传统无线设备电池维持。存在许多众所周知的不使用FE材料的可变或可调谐的元件。然而，FE是在尺寸和性能(高Q)较重要的便携式无线设备中使用的材料的较好的选择。
在最简单的形式中，可以利用可调谐的串联元件或可调谐的分流元件(例如电容器或电感器)来实现本发明的双波段匹配电路。作为一种选择，双波段匹配电路可以是“L”拓扑、π拓扑、“T”拓扑、或上述拓扑的组合。所述双波段匹配电路并不局限于任何特定的拓扑。
示例性的第一调谐电路300包括具有固定电感值的第一电感器310和具有可选电容值的第一可变电容器312。第二调谐电路302包括具有固定电感值的第二电感器314和具有可选电容值的第二可变电容器316。
第一可变电容器312具有与位于线路104中的分波段匹配电路输出端口相连的第一端。第一电感器310以分流的形式连接在位于线路318中的、第一可变电容器的第二接线端和参考电压之间。例如，参考电压可以是地线。第二可变电容器316具有位于线路318中的与第一可变电容器的第二接线端相连的第一接线端。第二电感器314串联连接在第二可变电容器位于线路320的第二接线端和位于线路322的分波段匹配电路输入端口之间。
接续描述该实施例，第一电感器310具有8纳亨(nH)的电感，而第一可变电容器312具有2.35到3.1皮法(pF)范围内的电容。第二电感器314具有2nH的电感，而第二可变电容器316具有1.85到3.5pF范围内的电容。
第一调谐电路310的第一频率响应于2.35pF的第一可变电容值，而第二调谐电路312的第二频率响应于2.9pF的第二可变电容值。这些是用于创建第一通信波段中的低分波段匹配的值。第一调谐电路310的第三频率响应于2.6pF的第一可变电容值，而第二调谐电路312的第四频率响应于2.6pF的第二电容值敏感。这些是用于创建第一通信波段中的高分波段匹配的值。
第一调谐电路310的第五频率响应于3.1pF的第一可变电容值，而第二调谐电路312的第六频率响应于1.85pF的第二电容值。这些是用于创建第二通信波段中的低分波段匹配的值。第一调谐电路310的第七频率响应于2.6pF的第一可变电容值，而第二调谐电路312的第八频率响应于3.5pF的第二电容值。这些是用于创建第二通信波段中的高分波段匹配的值。应当理解，可以利用“中间(in-between)”电容值生成通信波段中附加的分波段位置。例如，可以响应于将大约2.5pf的第一可变电容值和第二可变电容器316调整到大约2.75pf来生成用于第一通信波段的中间的分波段位置。
应当理解，可以采用除了图3a中示出的元件和电路拓扑之外的其他元件和电路拓扑来实现本发明。此外，可以增加具有固定或可变值的附加元件来增大电极的数量，以便给予电路更大的可调谐性和/或更灵敏的频率响应。
利用上面提到的值来进一步扩展上述的实施例，分波段匹配电路106在824与894兆赫兹(MHz)之间的范围内的第一通信波段和1850到1990MHz范围内的第二通信波段提供共轭阻抗。对于无线电话设备来说，其他感兴趣的通信波段包括GPS、WCDM、JDC、PCN、GMS和蓝牙。
图3b示出了特别采用FE电容器实现的图3a的分波段匹配电路。
图14说明了在蜂窝和PCS通信波段的示例性天线的史密斯图和回波损耗幅度图。
图12是描述天线的回波损耗和图3b的匹配电路的图。如图所示，匹配电路响应于供给第一电容器的1.7伏电压以及供给第二电容器的0伏的电压，而为蜂窝通信波段中的低分波段提供共轭阻抗。
图13是描述天线的回波损耗和图3b的匹配电路的图，其中匹配电路被调谐到蜂窝通信波段中的高分波段。供给第一电容器1伏的电压，而供给第二电容器2.5伏的电压。
图15是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中匹配电路位于蜂窝通信波段的低分波段。第一和第二电容器被分别调谐到2.35和2.9pf。
图16是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中匹配电路位于蜂窝通信波段的高分波段。第一和第二电容器均被调谐到2.6pf。
图17是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中所述匹配电路位于PCS通信波段的低分波段。第一和第二电容器被分别调谐到3.1和1.85pf。
图18是说明图14的天线的回波损耗和图3b的匹配电路的史密斯图，其中所述匹配电路位于PCS通信波段的高分波段。第一和第二电容器被分别调谐到2.35和2.9pf。
返回到图3a和3b，在一些方面中，分波段匹配电路106在大约45兆赫兹(MHz)的第一通信波段的分波段和大约80MHz的第二通信波段的分波段提供回波损耗或电压驻波比小于2∶1的共轭阻抗。
可以通过在第一和第二调谐电路中选择不同的元件值来获得其他的通信波段、带宽和带宽间隔。此外，可以修改上面开发的匹配电路概念，以创建能够调谐多波段天线(即三波段天线)的分波段的匹配电路。虽然可以采用FE电容器来实现示例性的调谐电路，但是可以采用传统的可变元件或FE元件和传统可变元件的组合来建立电路。如上所述，其他众所周知的调谐拓扑可以适合于本发明的使用。
总的来说，可以利用集中的元件、分散的网络元件或二者的组合来实现匹配电路。采用分散的元件匹配、薄的或厚的FE薄膜可以用于平面(微波带、带状线、共面波导等)的无源匹配电路，以改变下面的衬底的介电常数，从而实现匹配电路或谐振器的电气长度或特征阻抗的改变。平面匹配电路的使用是放大器或电路设计领域的人员所熟悉的。此处的匹配网络可以是混合网络、连接器以及更传统的分散的电感和电容结构。如果采用集中的元件匹配组件，那么则可以以类似的方式采用基于FE的可调谐的电容器来实现改变。
图4是分散元件间隙电容器的平面图。与IDC相比，间隙电容器具有较好的Q，但是每单位横截面(W)具有较低的电容。IDC由于每单位横截面采用多个指(finger)，因此其电容较大。然而，对于许多通信滤波器应用来说，并不需要大的电容(C≥4.0pF)。因而间隙电容器常常可以提供足够的电容。与传统的间隙电容器相比，大多数FE薄膜的固有较大的K值有助于在每单位横截面W提供相对较大的电容。
图5是重叠电容器的截面图。与间隙电容器和交叉指型电容器相比，重叠电容器(overlay capacitor)具有最低的Lgeom。重叠电容器是其中极板尺寸(长度和宽度)远大于极板间隔的平行极板几何学的示例。假定这种几何学，除了沿着边缘的边缘效应之外，极板之间的大多数电场都是均匀的。通过采用防护频带可以大大降低所述边缘效应，这一点是本领域中众所周知的。因而，来自平行板极电容器的几何损耗是非常低的。此外，平行板极几何学可以提供较大的电容，以及从小控制电压摆动(swing)开始的高调谐。
图6是交叉指型(IDC)电容器的平面图。对于给定的横截面积来说，IDC可以提供比间隙电容器更大的电容。损耗随着间隙间隔的减小而增大。类似地，损耗随着指宽的减小而增大。指长也会影响损耗，并且损耗会随着指长的增大而增大；尤其是在IDC的微波带实现中，因为在这种结构中奇数模式损耗占支配地位。此外，由于附加的尖角而引入的损耗，因此损耗随着指的数量的增大而增大。应当注意，指的数量的增加通常会使IDC的电容增大。
图7是描述两种可能的“L”匹配电路结构的示意图。两个电抗性的元件602和604可以是电容器和/或电感器的任意组合。
图8是描述π匹配网络的示意图。此外，电抗性的元件702、704和706可以是电容器和/或电感器的任意组合。
图9是描述“T”匹配网络的示意图。此外，电抗性的元件802、804和806可以是电容器和/或电感器的任意组合。
图10是本发明的具有带宽分段天线匹配系统的无线通信设备的示意性的方框图。设备400包括收发器402，收发器402具有位于线路332中的无线通信端口322，用于至少在第一通信波段内传送信息。天线102具有位于具有频变阻抗的线路104中的接口端口。分波段匹配电路106包括与位于线路322中的收发器无线通信端口相连的输入端口和与位于线路104中的天线接口端口相连的输出端口。分波段匹配电路106在至少第一通信波段的分波段选择性地提供共轭阻抗。
如上所述，在最简单的形式中，分波段匹配电路106可以在第一通信波段的低端和高端选择性地提供共轭阻抗。如果收发器402在第二通信波段内传送信息，那么分波段匹配电路106在第二通信波段的分波段提供共轭阻抗。此外，在最简单的形式中，分波段匹配电路106在第二通信波段的低端和高端选择性地提供共轭阻抗。
在本发明的一个方面中，第一通信波段为发送带宽，而第二通信波段为接收带宽。在该方面中，收发器402并入了发送和接收功能。在另一方面中，所有的通信波段均为接收带宽或发送带宽。通信波段可以支持电话、蓝牙、GPS和无线电通信。通常，收发器402被选择性地调谐到相对较窄的信道。每个通信波段都包括多个频率连续的信道。如上所述，在最简单的形式中，分波段匹配电路106提供高频带或低频带匹配，在这种情况下，分波段覆盖多个频率连续的信道。在其他方面中，分波段具有更窄的频率分辨率。也就是说，分波段匹配电路106提供以所选的信道为中心的最佳的匹配，以便以复杂性(更多的调谐组合)为代价来提供更佳的匹配。
如上所述，可以采用第一调谐电路和第二调谐电路来实现分波段匹配电路，如图3a和3b所示。如上所述，第一通信波段可以在824与894兆赫兹(MHz)之间的范围内，而第二通信波段可以在1850与1990MHz之间的范围内。还可以对天线102进行匹配，以用于GSM、WCMA、蓝牙、GPS、PCN、JDC和无线电通信波段。
以蜂窝通信波段和PCS通信波段为例，分波段匹配电路106在大约45兆赫兹(MHz)的第一通信波段分波段和大约80MHz的第二通信波段分波段，提供回波损耗小于2∶1的共轭阻抗。然而，其他的分波段带宽也是有可能的。在一些方面中，分波段带宽响应于每个通信波段中分波段匹配的数量的增加而变窄。也就是说，分波段匹配电路106可以在第一通信波段和/或第二通信波段的多个分波段提供共轭阻抗。
图11是说明本发明的用于对天线进行分波段阻抗匹配的方法的流程图。虽然为了清晰起见而将所述方法描述为一系列已编号的步骤，但是不应当根据编号而推断顺序，除非明确说明。应当理解，可以跳过、并行执行或者在不需要保持序列的严格顺序的情况下执行这些步骤中的某些步骤。所述方法开始于步骤500。
步骤502从天线接受频变阻抗。步骤504调谐第一调谐电路。步骤506同时调谐第二调谐电路。步骤508在第一通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配。在某些方面中，所述方法包括进一步的步骤。步骤510在第二通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配。
当步骤504将第一调谐电路调谐到第一频率以及步骤506将第二调谐电路调谐到第二频率时，步骤508则响应于所述第一和第二频率而在第一通信波段的低端对天线进行匹配。当步骤504将第一调谐电路调谐到第三频率以及步骤506将第二调谐电路调谐到第四频率时，步骤508则响应于所述第三和第四频率而在第一通信波段的高端对天线进行匹配。注意，步骤508和510不需要必须同时执行。
当步骤504将第一调谐电路调谐到第五频率以及步骤506将第二调谐电路调谐到第六频率时，步骤510则响应于所述第五和第六频率而在第二通信波段的低端对天线进行匹配。当步骤504将第一调谐电路调谐到第七频率以及步骤506将第二调谐电路调谐到第八频率时，步骤510则响应于所述第七和第八频率而在第二通信波段的高端对天线进行匹配。
在某些方面中，在步骤504和506调谐第一和第二调谐电路还包括子步骤。步骤504a接受用于第一调谐电路的第一控制电压，而步骤506a接受用于第二调谐电路的第二控制电压。步骤504b和506b响应于所述控制电压而调节铁电(FE)电介质材料的介电常数。在某些方面中，步骤504a和504b接受0和3伏直流电压之间的控制电压。在一个方面中，调谐电压和介电常数之间存在线性关系。在另一方面中，所述关系是至少比变容二极管的电压/电容曲线更线性的，尤其是在0和3伏之间的调谐范围内。
在其他方面中，步骤504调谐与具有固定电感值的第一电感相连并具有可选电容值的第一可变电容器。步骤506调谐与具有固定电感值的第二电感相连并具有可选电容值的第二可变电容器。此外，步骤504可以包括调谐具有2.35到3.1皮法(pF)范围内的可选电容的第一可变电容器，并且该第一可选电容器与具有8纳亨(nH)固定电感值的第一电感器相连。步骤506然后调谐具有1.85到3.5pF范围内的可选电容的第二可变电容器，并且该第二可选电容器与具有2nH固定电感值的第二电感器相连。如上所述，所述可变电容器可以是FE电容器。
更具体地，步骤504在2.35pF电容值处将第一可变电容器调谐到第一频率，在2.6pF电容值处将第一可变电容器调谐到第三频率，在3.1pF电容值处将第一可变电容器调谐到第五频率，以及在2.6pF电容值处将第一可变电容器调谐到第七频率。步骤506在2.9pF电容值处将第二可变电容器调谐到第二频率，在2.6pF电容值处将第二可变电容器调谐到第四频率，在1.85pF电容值处将第二可变电容器调谐到第六频率，以及在3.5pF电容值处将第二可变电容器调谐到第八频率。
然后，步骤508将用于824到894MHz范围内的第一通信波段的天线进行匹配，而步骤510将用于1850到1990MHz范围内的第二通信波段的天线进行匹配。在某些方面中，步骤508在大约45MHz的分波段内将回波损耗小于2∶1的天线进行匹配，步骤510在大约80MHz的分波段内将回波损耗小于2∶1的天线进行匹配。可以采用示例性的电路设计或不同的调谐电路设计来创建不同的分波段带宽、分波段频率间隔和效率。
如上所述，将电容器调谐到中间值以创建中间的分波段匹配是有可能的。也就是说，在步骤508中，在第一通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括在第一通信波段的多个分波段将天线进行匹配。同样地，在步骤510中，在第二通信波段的分波段为天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括在第二通信波段的多个分波段将天线进行匹配。
已经提供了用于选择性地调谐通信带宽分段阻抗的分波段天线匹配方法和天线匹配系统、以及具有带宽分段天线匹配系统的无线通信设备。已经采用为特定的工作频率而设计的示例性的匹配电路说明了本发明。然而，本发明并不局限于任何特定的电路拓扑或频率范围。本领域的技术人员可以想到本发明的其他变动和其他实施方案。

Claims (54)

1.一种用于选择性地匹配通信带宽分段阻抗的天线匹配系统，所述系统包括：
包括具有频变阻抗的接口端口的天线；
分波段匹配电路，其包括与所述天线接口端口相连的输出端口，并且在第一通信波段的分波段选择性地提供共轭阻抗。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述分波段匹配电路在所述第一通信波段的低端和所述第一通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述分波段匹配电路在第二通信波段的分波段提供共轭阻抗。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述分波段匹配电路在所述第二通信波段的低端和所述第二通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述分波段匹配电路包括第一调谐电路和第二调谐电路。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第一频率以及将所述第二调谐电路调谐到第二频率，而在所述第一通信波段的低端选择性地提供所述共轭阻抗。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第三频率以及将所述第二调谐电路调谐到第四频率，而在所述第一通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第五频率以及将所述第二调谐电路调谐到第六频率，而在所述第二通信波段的低端选择性地提供所述共轭阻抗。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第七频率以及将所述第二调谐电路调谐到第八频率，而在所述第二通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述第一调谐电路和所述第二调谐电路各包括：
铁电(FE)电介质材料，其介电常数响应于控制电压可变；以及
用于接收所述控制电压的接口。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述第一调谐电路和所述第二调谐电路响应于0到3伏的dc控制电压。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述第一调谐电路和所述第二调谐电路包括铁电可变电容器，而所述铁电可变电容器是从包括交叉指型电容器、间隙电容器和重叠电容器的组中选取的。
13.如权利要求9所述的系统，其中所述第一调谐电路包括：
具有固定电感值的第一电感器；
具有可选电容值的第一可变电容器；以及
其中所述第二调谐电路包括：
具有固定电感值的第二电感器：以及
具有可选电容值的第二可变电容器。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述第一可变电容器具有与所述分波段匹配电路的输出端口相连的第一端；
其中所述第一电感器以分流的方式连接在所述第一可变电容器的第二端和参考电压之间；
其中所述第二可变电容器具有与所述第一可变电容器的所述第二端相连的第一端；以及
其中所述第二电感器串联连接在所述第二可变电容器的第二端和分波段匹配电路的输入端口之间。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述第一电感器具有8纳亨(nH)的电感；
其中所述第一可变电容器具有2.35到3.1皮法(pF)范围内的电容；
其中所述第二电感器具有2纳亨(nH)的电感；以及
其中所述第二可变电容器具有1.85到3.5pF范围内的电容。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述第一调谐电路第一频率对2.35pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第二频率对2.9pF的第二可变电容值敏感；以及
所述第一调谐电路第三频率对2.6pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第四频率对2.6pF的第二电容值敏感；
所述第一调谐电路第五频率对3.1pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第六频率对1.85pF的第二电容值敏感；以及
所述第一调谐电路第七频率对2.6pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第八频率对3.5pF的第二电容值敏感。
17.如权利要求3所述的系统，其中所述分波段匹配电路在824到894兆赫兹(MHz)范围内的第一通信波段和1850到1990MHz范围内的第二通信波段提供所述共轭阻抗。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述分波段匹配电路在大约45兆赫兹(MHz)的第一通信波段的分波段和大约80MHz的第二通信波段的分波段为所述共轭阻抗提供小于2∶1的回波损耗。
19.如权利要求3所述的系统，其中所述分波段匹配电路在所述第一通信波段中的多个分波段以及在所述第二通信波段中的多个分波段提供所述共轭阻抗。
20.如权利要求1所述的系统，其中所述双波段匹配电路是从包括可调谐的串联元件、可调谐的并联元件、“L”拓扑、π拓扑、“T”拓扑以及上述拓扑的组合的组中选取的匹配拓扑。
21.一种具有带宽分段天线匹配系统的无线通信设备，所述设备包括：
收发器，其具有用于在第一通信波段内传送信息的无线通信端口；
具有接口端口的天线，所述接口端口具有频变阻抗；
分波段匹配电路，其包括与所述收发器无线通信端口相连的输入端口和与所述天线接口端口相连的输出端口，以便在所述第一通信波段的分波段选择性地提供共轭阻抗。
22.如权利要求21所述的设备，其中所述分波段匹配电路在所述第一通信波段的低端和所述第一通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述收发器在第二通信波段内传送信息；并且
其中所述分波段匹配电路在第二通信波段的分波段提供共轭阻抗。
24.如权利要求23所述的设备，其中所述分波段匹配电路在所述第二通信波段的低端和所述第二通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
25.如权利要求24所述的设备，其中所述分波段匹配电路包括第一调谐电路和第二调谐电路。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第一频率以及将所述第二调谐电路调谐到第二频率，而在所述第一通信波段的低端选择性地提供所述共轭阻抗。
27.如权利要求26所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第三频率以及将所述第二调谐电路调谐到第四频率，而在所述第一通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第五频率以及将所述第二调谐电路调谐到第六频率，而在所述第二通信波段的低端选择性地提供所述共轭阻抗。
29.如权利要求28所述的系统，其中所述分波段匹配电路响应于将所述第一调谐电路调谐到第七频率以及将所述第二调谐电路调谐到第八频率，而在所述第二通信波段的高端选择性地提供所述共轭阻抗。
30.如权利要求29所述的系统，其中所述第一调谐电路和所述第二调谐电路各包括：
铁电(FE)电介质材料，其具有响应于控制电压的可变介电常数；以及
用于接收所述控制电压的接口。
31.如权利要求30所述的系统，其中所述第一调谐电路和所述第二调谐电路响应于0到3伏dc的控制电压。
32.如权利要求30所述的系统，其中所述第一调谐电路和所述第二调谐电路包括铁电可变电容器，而所述铁电可变电容器是从包括交叉指型电容器、间隙电容器和重叠电容器的组中选取的。
33.如权利要求29所述的系统，其中所述第一调谐电路包括：
具有固定电感值的第一电感器；
具有可选电容值的第一可变电容器；以及
其中所述第二调谐电路包括：
具有固定电感值的第二电感器：以及
具有可选电容值的第二可变电容器。
34.如权利要求33所述的系统，其中所述第一可变电容器具有与所述分波段匹配电路的输出端口相连的第一端；
其中所述第一电感器以分流的方式连接在所述第一可变电容器的第二端和参考电压之间；
其中所述第二可变电容器具有与所述第一可变电容器的所述第二端相连的第一端；以及
其中所述第二电感器串联连接在所述第二可变电容器的第二端和分波段匹配电路的输入端口之间。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述第一电感器具有8纳亨(nH)的电感；
其中所述第一可变电容器具有2.35到3.1皮法(pF)范围内的电容；
其中所述第二电感器具有2纳亨(nH)的电感；以及
其中所述第二可变电容器具有1.85到3.5pF范围内的电容。
36.如权利要求35所述的系统，其中所述第一调谐电路第一频率对2.35pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第二频率对2.9pF的第二可变电容值敏感；以及
所述第一调谐电路第三频率对2.6pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第四频率对2.6pF的第二电容值敏感；
所述第一调谐电路第五频率对3.1pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第六频率对1.85pF的第二电容值敏感；以及
所述第一调谐电路第七频率对2.6pF的第一可变电容值敏感，而所述第二调谐电路第八频率对3.5pF的第二电容值敏感。
37.如权利要求23所述的系统，其中所述分波段匹配电路在824到894兆赫兹(MHz)范围内的第一通信波段和1850到1990MHz范围内的第二通信波段提供所述共轭阻抗。
38.如权利要求37所述的系统，其中所述分波段匹配电路在大约45兆赫兹(MHz)的第一通信波段的分波段和大约80MHz的第二通信波段的分波段为所述共轭阻抗提供小于2∶1的回波损耗。
39.如权利要求23所述的系统，其中所述分波段匹配电路在所述第一通信波段中的多个分波段以及在所述第二通信波段中的多个分波段提供所述共轭阻抗。
40.如权利要求21所述的系统，其中所述双波段匹配电路是从包括可调谐的串联元件、可调谐的并联元件、“L”拓扑、π拓扑、“T”拓扑以及上述拓扑的组合的组中选取的匹配拓扑。
41.一种用于对天线进行分波段阻抗匹配的方法，所述方法包括：
从天线接受频变阻抗；以及
在第一通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配。
42.如权利要求41所述的方法，进一步包括：
在第二通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配。
43.如权利要求42所述的方法，进一步包括：
将第一调谐电路调谐到第一频率；
同时将第二调谐电路调谐到第二频率；以及
其中在所述第一通信波段的分波段为匹配所述天线而选择性地提供共轭阻抗包括：响应于所述第一频率和所述第二频率而在所述第一通信波段的低端对所述天线进行匹配。
44.如权利要求43所述的方法，其中调谐所述第一调谐电路包括调谐到第三频率；
其中同时调谐所述第二调谐电路包括调谐到第四频率；以及
其中在所述第一通信波段的分波段为匹配所述天线而选择性地提供共轭阻抗包括：响应于所述第三频率和所述第四频率而在所述第一通信波段的高端对所述天线进行匹配。
45.如权利要求44所述的方法，其中调谐所述第一调谐电路包括调谐到第五频率；
其中同时调谐所述第二调谐电路包括调谐到第六频率；以及
其中在所述第二通信波段的分波段为匹配所述天线而选择性地提供共轭阻抗包括：响应于所述第五频率和所述第六频率而在所述第二通信波段的低端对所述天线进行匹配。
46.如权利要求45所述的方法，其中调谐所述第一调谐电路包括调谐到第七频率；
其中同时调谐所述第二调谐电路包括调谐到第八频率；以及
其中在所述第二通信波段的分波段为匹配所述天线而选择性地提供共轭阻抗包括：响应于所述第七频率和所述第八频率而在所述第二通信波段的高端对所述天线进行匹配。
47.如权利要求46所述的方法，其中调谐所述第一和第二调谐电路包括：
分别接受用于所述第一和第二调谐电路的第一和第二控制电压；以及
响应于所述控制电压调节所述铁电(FE)电介质材料的所述介电常数。
48.如权利要求47所述的方法，其中接受第一和第二控制电压包括接受0到3伏dc的控制电压。
49.如权利要求46所述的方法，其中调谐所述第一调谐电路包括调谐与具有固定电感值的第一电感器相连并具有可选电容值的第一可变电容器；以及
调谐所述第二调谐电路包括调谐与具有固定电感值的第二电感器相连并具有可选电容值的第二可变电容器。
50.如权利要求49所述的方法，其中调谐所述第一调谐电路包括调谐与具有8纳亨(nH)的固定电感值的第一电感器相连、并具有2.35到3.1皮法(pF)范围内的可选电容值的第一可变电容器；以及
调谐所述第二调谐电路包括调谐与具有2nH的固定电感值的第二电感器相连、并具有1.85到3.5pF范围的可选电容值的第二可变电容器。
51.如权利要求50所述的方法，其中调谐所述第一调谐电路包括在2.35pF电容值处将所述第一可变电容器调谐到第一频率；在2.6pF电容值处将所述第一可变电容器调谐到第三频率；在3.1pF电容值处将所述第一可变电容器调谐到第五频率，以及在2.6pF电容值处将所述第一可变电容器调谐到第七频率；并且
其中调谐所述第二调谐电路包括在2.9pF电容值处将所述第二可变电容器调谐到第二频率；在2.6pF电容值处将所述第二可变电容器调谐到第四频率；在1.85pF电容值处将所述第二可变电容器调谐到第六频率，以及在3.5pF电容值处将所述第二可变电容器调谐到第八频率。
52.如权利要求51所述的方法，其中在第一通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括：对用于824到894MHz范围内的第一通信波段的天线进行匹配；以及
其中在第二通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括：对用于1850到1990MHz范围内的第二通信波段的天线进行匹配。
53.如权利要求52所述的方法，其中在第一通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括跨越大约45MHz的分波段对回波损耗小于2∶1的天线进行匹配；以及
其中在第二通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括跨越大约80MHz的分波段对回波损耗小于2∶1的天线进行匹配。
54.如权利要求42所述的方法，其中在第一通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括在所述第一通信波段中的多个分波段对所述天线进行匹配；以及
其中在第二通信波段的分波段为所述天线选择性地提供共轭阻抗匹配包括在所述第二通信波段中的多个分波段对所述天线进行匹配。
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