[发明专利]用于电短天线的RF发射器

说明书

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100MHz的RF信号，波长的四分之一等于0.75m。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。