АНТЕННО-СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2011 года по МПК H01P5/00 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам мобильной связи, таким как сотовые телефоны; многодиапазонные и многофункциональные устройства; устройства, поддерживающие кроме голосовой связи мультимедийные приложения, и может быть использовано для улучшения работы антенной системы мобильного устройства связи.

Миниатюрные встраиваемые в сотовые телефоны многорезонансные антенны, предназначенные для нескольких стандартов связи, обычно имеют невысокие характеристики. Их коэффициент полезного действия достаточно мал и редко превышает 50%. Положение осложняется еще тем, что неизбежное в мобильных устройствах присутствие рук и головы человека смещает резонансную частоту и еще больше ухудшает работу антенны. Хотя изменения импеданса могут быть скомпенсированы, особенность заключается в том, что положение руки и головы относительно мобильного аппарата случайно, то есть изменение входного импеданса антенны также случайно и непредсказуемо.

Известно устройство для измерения входного импеданса антенного согласующего устройства, защищенное патентом РФ №2312367, кл. G01R 27/08, опубл. 10.12.2007.

Устройство для измерения входного импеданса АСУ содержит датчики тока и напряжения, включенные на выходе согласующего контура АСУ, выходы которых соединены с входами фазового детектора и двух идентичных устройств преобразования, выход фазового детектора через масштабный усилитель соединен с аналоговым входом АЦП, выходы устройств преобразования соединены с двумя другими аналоговыми входами АЦП, выход которого является выходом устройства.

Недостатком известного устройства является невозможность антенно-согласующего устройства автоматически обеспечивать согласование антенны при любом положении руки и головы человека, компенсируя изменяющееся во времени рассогласование.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является антенно-согласующее устройство, защищенное патентом РФ №2309491, кл. H01P 5/08, H04B 1/18, H04B 7/00, опубл. 27.10.2007 г.

Антенно-согласующее устройство содержит согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, и коммутатор, который подключен первым выходом к входу согласующего контура. Первичная обмотка трансформатора тока включена между выходом аттенюатора и вторым входом коммутатора, а микроконтроллер подключен выходами первого порта параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура. Первый и второй дифференциальные усилители подключены входами соответственно к выходу аттенюатора и выходу трансформатора тока, а первый и второй преобразователи "аналог-цифра" подключены аналоговыми входами соответственно к выходам дифференциальных усилителей. Первое и второе оперативные запоминающие устройства подключены цифровыми входами соответственно к цифровым выходам преобразователей "аналог-цифра", а цифровыми выходами подключены ко второму порту параллельного интерфейса микроконтроллера. Синтезатор частот подключен первым выходом к входу аттенюатора, вторым выходом подключен к входам синхронизации преобразователей "аналог-цифра", а портом управления подключен к второму порту последовательного интерфейса микроконтроллера, при этом калибровочный резистор подключен к второму выходу коммутатора.

Автоматическое согласование антенны в прототипе осуществляется переключаемым магазином реактивностей. Переключение производится на основании вычисленных микроконтроллером значений активного и реактивного сопротивления антенны. В качестве исходных данных микроконтроллер использует оцифрованные при помощи АЦП значения амплитуд тестовых сигналов на выходе согласующего контура и калибровочного резистора.

Недостатком известного устройства является необходимость использования тестовых сигналов с частотой, близкой к рабочей частоте антенны. Для многорезонансных антенн необходимо формировать множество тестовых сигналов, количество которых равно числу резонансных частот антенны. При этом тестовые сигналы могут значительно отличаться друг от друга по частоте. Это приводит к усложнению и удорожанию аппаратуры антенно-согласующего устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение работы антенной системы мобильного устройства связи за счет компенсации влияния руки, удерживающей мобильный аппарат, и/или головы, к которой аппарат (телефон) прижат или поднесен.

Технический результат от использования изобретения заключается в автоматической подстройке импеданса, которая компенсирует рассогласование, вызванное рукой и/или головой человека.

Указанный результат достигается тем, что в антенно-согласующее устройство, содержащее управляемую согласующую цепь, вход которой служит входом антенны, а ее выход служит входом приемопередатчика, дополнительно введены цепь связи, генератор импульсов, счетчик, аккумулятор управляющих напряжений и соединительные шины, при этом вход управляемой согласующей цепи соединен с входом цепи связи, а выход цепи связи соединен с резонатором генератора импульсов, выход генератора импульсов соединен с входом счетчика, выходы триггеров счетчика соединены шиной с входами аккумулятора управляющих напряжений, а выходы аккумулятора управляющих напряжений соединены шиной с выводами управляемой согласующей цепи.

Предлагаемое антенно-согласующее устройство, использует один тестовый сигнал для автоматической подстройки импеданса на всех резонансных частотах многорезонансной антенны. Причем частота тестового сигнала может быть значительно ниже рабочей частоты антенны. Изобретение упрощает и удешевляет аппаратуру антенно-согласующего устройства и может использоваться в мобильном устройстве связи, улучшая работу его антенной системы.

В предлагаемом антенно-согласующем устройстве в отличие от прототипа управление согласующими реактивностями производится не на основе оцифрованных амплитуд измеренного тестового сигнала, а на основе измеренной частоты генератора импульсов. При этом резонатор генератора импульсов связан с антенной, например, емкостью и его частота является мерой рассогласования антенны. Антенно-согласующее устройство, построенное в соответствии с настоящим изобретением, может быть универсальным и применяться в мобильных устройствах разных производителей.

Блок-схема антенно-согласующего устройства показана на чертеже.

Антенно-согласующее устройство содержит управляемую согласующую цепь 1, цепи связи 2, генератор импульсов 3, счетчик 4, аккумулятор управляющих напряжений 5 и соединительные шины 6, 7.

Вход управляемой согласующей цепи 1 соединен с входом цепи связи 2, выход которой соединен с генератором импульсов 3, выход которого соединен с входом счетчика 4, выходы триггеров которого соединены с входами аккумулятора управляющих напряжений 5 при помощи шины 6, при этом выходы аккумулятора управляющих напряжений 5 соединены с выводами управляемой согласующей цепи 1 при помощи шины 7. Вход управляемой согласующей цепи служит входом антенны, а ее выход служит входом приемопередатчика.

Работа антенно-согласующего устройства объясняется следующим образом. При приближении внешнего предмета, например: руки или головы человека, к антенне мобильного устройства, изменяется ее входной импеданс. Изменение входного импеданса антенны влечет за собой изменение выходного импеданса цепи связи 2, которое вызывает изменение частоты колебаний генератора импульсов 3. Изменение частоты колебаний генератора импульсов 3 вызывает изменение состояний выходов триггеров счетчика 4, соответствующее числу импульсов, отсчитанных за время счета. То есть состояние выходов триггеров счетчика 4 будет содержать информацию об изменении входного импеданса антенны из-за приближения руки/головы. Время счета счетчика 4 определяется внешними импульсами запуска и остановки (на чертеже не показаны). Сигналы с выходов триггеров счетчика 4 передаются по шине 6 на входы аккумулятора управляющих напряжений 5. Аккумулятор управляющих напряжений 5 формирует управляющие напряжения, ставя каждому двоичному числу, пришедшему по шине 6, в соответствие свой вектор управляющих напряжений. Вектор управляющих напряжений передается по шине 7 на выводы управляемой согласующей цепи 1.

Управляющие напряжения воздействуют на управляемую согласующую цепь антенны 1, компенсируя изменения импеданса, внесенные приближением руки/головы и согласуя ее с приемопередатчиком. При изменении положения руки/головы относительно антенны импеданс последней вновь изменится. Это опять приведет к изменению частоты колебаний генератора импульсов 3 и в результате к появлению нового двоичного числа на выводах триггеров счетчика 4. По новому двоичному числу аккумулятор управляющих напряжений 5 выберет новый вектор управляющих напряжений, используя хранящуюся в его памяти таблицу управляющих напряжений. Новый вектор управляющих напряжений обеспечит согласование управляемой согласующей цепи 1 с входом приемо-передатчика.

Таким образом происходит автоматическое согласование антенны при возмущениях импеданса, вызванного изменением положения частей человеческого тела относительно мобильного устройства.

Предлагаемое антенно-согласующее устройство никак не ограничивает тип применяемой антенны. Это может быть монополь, patch, PIFA или антенный элемент другого типа.

Цепь связи 2 может быть пассивной цепью, построенной из элементов без потерь, таких как конденсаторы, индуктивности, отрезки линий передачи. Возможно построение цепи связи с использованием активных элементов. Цепь связи обеспечивает трансформацию импеданса антенны в импеданс нужной величины, который подключается к резонатору генератора импульсов 3. В частности, цепью связи 2 может являться конденсатор. Цепь связи 2 может состоять из переключаемых L, C элементов.

Генератор импульсов 3 может быть построен по одной из известных схем [Ulrich L. Rohde, David P. Newkirk, "RF/Microwave Circuit Design for Wireless Applications", Willey 2000, p.756; G. Vendelin, A. Pavio, U. Rohde, "Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques", Willey, 2005, p.307, 671].

В качестве резонатора может использоваться кварцевый резонатор, пьезоэлектрический резонатор (FBAR), диэлектрический резонатор или резонатор, построенный с использованием дискретных LC элементов либо отрезка линии передачи. В идеальном случае при отключении цепи связи 2 генератор импульсов 3 будет иметь постоянную частоту колебаний. В антенно-согласующем устройстве к резонатору генератора импульсов 3 подключена цепь связи 2, обеспечивающая изменение частоты при наличии изменений импеданса антенны. Если не учитывать влияние температуры, вибрации и других дестабилизирующих факторов, то изменение частоты будет определяться только мерой рассогласования антенны под влиянием изменений положения руки/головы относительно антенного элемента мобильного аппарата. Изменение частоты за время измерения может быть малым, например от единиц до десятков герц. Выбор рабочей частоты генератора импульсов 3 ограничивается быстродействием счетчика 4 и может быть, например, в интервале от 5 до 100 МГц. Схема генератора импульсов 3 может содержать триггер Шмита для формирования импульсов прямоугольной формы из синусоидальных колебаний.

Счетчик 4 может быть двоичным счетчиком, который запускается, и останавливаться внешними старт/стоп импульсами (на чертеже импульсы не показаны) с точно определенной длительностью и крутизной фронтов, необходимой для достижения высокой точности отсчетов. Счетчик 4 способен обеспечивать высокую точность отсчета - с точностью до одного импульса. Требуемое число разрядов счетчика 4 определяется конкретным алгоритмом, используемым в аккумуляторе управляющих напряжений 5. Оно может быть небольшим (например, 6), если алгоритм основан на определении девиации частоты относительно известного значения. При других алгоритмах число разрядов счетчика 4 может быть увеличено путем каскадирования.

Аккумулятор управляющих напряжений 5 может быть построен с использованием микропроцессора, использующего встроенную или внешнюю память, в которой храниться таблица управляющих напряжений. Таблица управляющих напряжений ставит в соответствие измеренной частоте генератора импульсов 3 упорядоченный набор N двоичных чисел. Причем N совпадает с числом выводов управляемой согласующей цепи 1 (и разрядностью шины 7). Каждой измеренной частоте ставится в соответствие свой уникальный упорядоченный набор N двоичных чисел. Каждое из N двоичных чисел преобразуется в управляющее напряжение при помощи ЦАП. Таким образом, сформированный вектор управляющих напряжений подается по шине 7 на выводы управляемой согласующей цепочки 1. Заложенный в микропроцессор алгоритм может основываться на измеренных значениях отклонения частоты генератора импульсов 3 и направлен на компенсацию только реактивной составляющей, внесенной в импеданс антенны присутствием руки/головы. Более сложные алгоритмы могут использовать хранящуюся в памяти историю изменения частоты и ее производной и обеспечивать компенсацию отклонений как реактивной, так и активной составляющей антенны.

Управляемая согласующая цепь 1 может иметь структуру полосового фильтра либо фильтра нижних или верхних частот и содержать управляемые элементы, такие как варакторы, PIN диоды, транзисторные переключатели. Выводы управляемой согласующей цепи 1, на которые поступают управляющие напряжения, соединены с выводами управляемых элементов.

Антенно-согласующее устройство может работать в нескольких частотных диапазонах, например GSM, CDMA, WCDMA. В этом случае управляемая согласующая цепь 1 переключается в нужный частотный диапазон напряжениями, подаваемыми извне. После переключения в нужный частотный диапазон антенно-согласующее устройство работает так же, как это объяснено выше. Разница лишь в том, что аккумулятор управляющих напряжений 5 будет содержать не одну, а несколько таблиц управляющих напряжений, каждая из которых используется для своего частотного диапазона.

Таким образом, антенно-согласующее устройство, реализованное в соответствии с данным изобретением:

- позволяет улучшить работу антенной системы мобильного устройства связи за счет компенсации рассогласования, вызванного влиянием тела человека на характеристики антенной системы;

- использует счетчик для формирования цифрового сигнала рассогласования антенны, что позволяет создать простую дешевую аппаратуру;

- может работать в мобильном устройстве связи совместно с многодиапазонной антенной в нескольких частотных диапазонах GSM, CDMA, WCDMA;

- позволяет использовать одно и то же антенно-согласующее устройство для разных аппаратов связи, изменяя лишь программное обеспечение и таблицы управляющих напряжений.

Изобретение относится к устройствам мобильной связи, таким как сотовые телефоны; многодиапазонные и многофункциональные устройства; устройства, поддерживающие кроме голосовой связи мультимедийные приложения, и может быть использовано для улучшения работы антенной системы мобильного устройства связи. В антенно-согласующее устройство, содержащее управляемую согласующую цепь, вход которой служит входом антенны, а ее выход служит входом приемопередатчика, дополнительно введены цепь связи, генератор импульсов, счетчик, аккумулятор управляющих напряжений и соединительные шины, при этом вход управляемой согласующей цепи соединен с входом цепи связи, а выход цепи связи соединен с резонатором генератора импульсов, выход генератора импульсов соединен с входом счетчика, выходы триггеров счетчика соединены шиной с входами аккумулятора управляющих напряжений, а выходы аккумулятора управляющих напряжений соединены шиной с выводами управляемой согласующей цепи. Технический результат от использования изобретения заключается в автоматической подстройке импеданса, которая компенсирует рассогласование, вызванное рукой и/или головой человека. 1 ил.

Антенно-согласующее устройство, содержащее управляемую согласующую цепь, вход которой служит входом антенны, а ее выход служит входом приемопередатчика, отличающееся тем, что в него дополнительно введены цепь связи, генератор импульсов, счетчик, аккумулятор управляющих напряжений и соединительные шины, при этом вход управляемой согласующей цепи соединен с входом цепи связи, а выход цепи связи соединен с резонатором генератора импульсов, выход генератора импульсов соединен с входом счетчика, выходы триггеров счетчика соединены шиной с входами аккумулятора управляющих напряжений, а выходы аккумулятора управляющих напряжений соединены шиной с выводами управляемой согласующей цепи.