無線控制設備的製作方法
2023-07-25 14:50:31 1
專利名稱：無線控制設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無線控制設備，特別用於消費電子、例如個人計算機或娛樂設備。
背景技術：
通常所有的遙控設備都需要自身的電源(典型地為電池)。然而，除了當電池用盡時對用戶來說存在麻煩之外，對於用戶和廠商來說都還存在必須被安全處理的大量電池的環境問題和隨之發生的開銷。已經提出了很多方案以便降低這些設備的功率消耗，從而不用太頻繁地更換電池，但是這僅僅減弱了問題而不是避免了問題。關於此的一個例子是US6507763，其提到使用射頻無線鍵盤來替代紅外線鍵盤，原因是RF鍵盤消耗較少的功率。它沒有為用戶解決這 樣的麻煩不得不針對不同設備保存很多不同型號的備用電池，以防止在不方便外出購買新電池時用盡電池。這樣的遙控設備的另一個特點是，它們必須在沒有物理連接的情況下將數據傳輸給計算機或者娛樂設備。在US5365230中描述了關於此的一個例子，其使用在可變磁場中編碼的掃描碼來使計算機可以確定用戶按了哪個鍵。然而，該鍵盤仍然需要位於鍵盤內部的獨立電源，具有附帶的問題。此外，輸入信號可能相對弱，從而限制了遙控設備可以工作的距離。US2006/0281435描述了一種功率收集方法，用於通過將接收到的AC整流為DC從而收集四周的或定向的RF能量來為未加限制的設備(包括集成電路、例如用於警報的RFID傳感器)供電或者對其上的已有電源進行加強。
發明內容
根據本發明的第一方面，無線控制設備包含天線和功率收集器，所述功率收集器用於從入射到天線上的射頻信號中生成用於設備的功率；所述設備還包含上變頻級；所述上變頻級包含第一埠和第二埠，所述第一埠用於接收待上變頻的控制信號，而所述第二埠用於接收入射的射頻信號並且在上、下邊帶頻率處輸出上變頻後的控制信號；其中所述天線與所述第二埠耦合。本發明提供了一種無線控制設備，其能夠收集入射的射頻信號以便為設備供電，同時還使用該信號來對信號進行上變頻以便傳輸。優選地，上變頻級包含低噪聲放大器和兩埠混合器。優選地，上變頻級包含兩埠參量放大器。優選地，在參量放大器的第一埠處提供低噪聲放大器。優選地，兩埠參量放大器包含一對變容二極體，所述變容二極體連接在第一埠和第二埠之間；其中從第一埠處觀察，所述二極體並聯連接，而從第二埠處觀察，其串聯連接；其中第一埠通過低噪聲放大器接收輸入信號；並且其中，第二埠接收入射的本地振蕩器信號並且將上變頻後的放大了的輸入信號進行輸出。
優選地，功率收集器為低噪聲放大器提供DC電源。優選地,功率收集器包含Cockcroft Walton倍增器。優選地，功率收集器包含阻抗電路，以便在整流為DC之前增加來自本地振蕩器的可用的RF電壓。優選地，功率收集器還包含耦合在混合器的第二埠和天線之間的功率分配器。優選地，功率分配器在兩個輸出之間分配入射的本地振蕩器頻率，一個輸出與功率收集器相連接並且另一個輸出與上變頻級的第二埠相連接。優選地，功率分配器包含定向耦合器和Wilkinson耦合器中的一個。 優選地，第二埠接收在2GHz到3GHz頻率範圍內的信號。優選地，無線控制設備是遊戲控制臺遙控器、個人娛樂遙控器、鍵盤或滑鼠中的一個。按照本發明的第二方面，無線系統包含按照第一方面的設備以及主機，所述主機進一步包含用於產生射頻信號的信號發生器和從中發送射頻信號的天線。
現在，參考附圖來描述按照本發明的無線控制設備的例子，其中圖I示出了按照本發明的無線控制設備的例子；圖2更詳細地示出了使用在按照本發明的無線控制設備中的上變頻器的例子；圖3更詳細地示出了在圖2的上變頻器中的混頻器；圖4示出了對圖2的上變頻器所進行的功率收集，使用在圖I的無線控制設備中；圖5A示出了對稱的功率分配器；圖5B示出了非對稱的功率分配器；圖6A不出了正交混合支線分配器(quadrature hybrid branch line splitter)；圖6B示出了邊緣f禹合器(edge coupler)；圖7示出了簡單的整流器電路，用作在圖4的設備中的功率收集器；圖8示出了整流器電路的替換的例子，用作圖4的設備中的功率收集器；圖9示出了上變頻器的替換的實施，用在按照本發明的無線控制設備中，使用了兩埠參量放大器；圖10是圖3的上變頻器的方框圖，包含了功率收集器；以及，圖11是修改了的按照圖10的上變頻器的方框圖。
具體實施例方式本發明的多種實施是可能的並且在下文中將會描述其中的幾個例子。圖I示出了本發明的基本布置，其中，為無線控制設備I (例如計算機鍵盤、計算機滑鼠、電視遙控器或者無線遊戲控制器)提供了功率收集電路2，以便生成用於無線控制設備的功率。功率收集電路2將在設備I的天線5所接收到的射頻(RF)信號中的能量轉換成用於控制設備的電源。RF信號7典型地是從主機9上的天線3所發送的信號，所述主機在鍵盤或滑鼠的情況下例如是個人計算機、或者在電視遙控器的情況下是電視機，然而集成在主機中或者與主機相分離的單個發送器可以用於覆蓋在一定的範圍內(例如在書房、辦公室或者家庭內)的設備。為了方便起見，所發送的信號通常是具有在2GHz至3GHz範圍內的典型頻率的微波信號，並且在本例子中是指這樣。功率可以被直接用於為控制設備供電，例如為處理器10、顯示器11或者擴音器12供電，或者可以將所收集的功率存儲在無線控制設備內部的存儲器14中以便後續使用。另外，相同的外部能量源可以用作本地振蕩器7以便將發送給主機的信號上變頻，並且將該信號的上下邊帶發送給使用與接收入射射頻信號的天線相同的天線5的主機。在圖2中示出了在按照本發明的無線控制設備中可以使用的上變頻器的第一構造。用於發送給主機9的信號13被輸入至低噪聲放大器20。在控制設備中例如通過按下按鍵或者鍵點擊或按下來生成信號13。只要每次命令(按或者點擊等)是清楚的，那麼如此生成的信號的頻率是不重要的。隨著每個命令可以給出用於發送的籤名。如果需要，將所產生的信號轉換成用於混合的最優頻率。典型地，對於2. 5GHz鏈路，信號需要遠離鏈路頻率的20%之外，由此其小於250MHz。然而，技術允許使用可能的副載波頻率的寬範圍，具有用於大數據帶寬的容量。可以優化數據發送的數量、速度和定時，以便降低參量放大器的成本和複雜性。DC電壓22為低噪聲放大器供電。通過如下描述的功率收集器直接或者從存 儲器14中提供為放大器供電的DC電源，所述存儲器可以例如是以規律間隔充電的超級電容。在放大器20中將輸入信號13進行放大,並且放大了的信號被傳輸到兩埠混合器23的第一埠 21。在與混合器的第二 L0/IF中間頻率埠 24相連接的天線5處接收來自主機天線3的射頻信號7，其既起電源的作用又起本地振蕩器(LO)信號的作用。輸入信號13和LO信號在混合器23中混合以便產生上下邊帶並且提供按照需要的進一步放大，從而將輸入信號13進行上變頻。包含邊帶的上變頻後的信號仍然在天線3的帶寬內，並且邊帶8中的一個、另一個或者兩者由天線5所輻射以便由在主機9中的接收器進行接收。在圖3中示出了兩埠混合器23的實施的例子。變壓器26和二極體28、29形成了兩埠混合器23。二極體的布置分別決定了用於輸入LO信號7和輸出IF 8的電流的方向。可以用諧振電路中的三股線(trifilar wire)來實施變壓器。低噪聲放大器20的輸出端與兩埠混合器23的輸入埠 21相連接，並且放大了的輸入信號13通過兩埠混合器23被上變頻，然後與天線5相連接以便發送上變頻後的信號邊帶8。如上面所提到的那樣，為了完全由入射的本地振蕩器信號為放大器20供電從而不需要額外的DC電源，使用從本地振蕩器7中所收集的功率。由此，上變頻級的天線5提供LO功率，所述LO功率被整流以便產生DC電壓22用於為LNA 20供電。此外，該功率收集可以與功率分配器44結合使用。在一個例子中，功率收集器的輸入可以與雙向分配器相連接，所述雙向分配器可以具有功率分配器功率的對稱性或者不對稱性。分配器可以具有Wikinson分配器或者定向耦合器的形式，以便提供LO信號的兩個分離部分之間的隔離。在圖4中示出了實現這點的合適的電路。通過如本領域公知例如既可以實施為Wilkinson耦合器又可以實施為定向耦合器的雙向分配器44，來自天線5的饋入29與混合器L0/IF埠 24相連接。耦合器44為在天線5和L0/IF埠 24之間的路徑29提供了與第二路徑30的隔離，所述第二路徑與功率收集器43相連接，所述功率收集器具有用於提供適於為放大器20供電的DC 22的整流器。以這種方式，上變頻電路完全由在微波天線5上所入射的本地振蕩器功率來供電。本發明收集一些來自本地振蕩器7的DC功率以便為放大器提供所需的功率。功率收集器43典型地具有整流器和儲存器電路(reservoir circuit)(例如電容)的形式，其在下文中將詳細描述，設置其以便獲得DC電壓，該電路具有合適的電壓和電流容量以便為低噪聲放大器供電。可以使用功率分配器44的不同類型。在圖5中示出了簡化的形式，來圖示功率分配器的運行。圖5A圖示了 Wilkinson分配器。由Pl所觀察到50 Ω的電阻。通過具有大約72 Ω阻抗的四分之一波長線50、51來相同地分配信號。在P2和P3之間連接100 Ω的平衡電阻。在並且只有在P2和P3被終止在50Ω的情況下，這種構造才提供完美的匹配Pl。在並且只有在Pl是終止的情況下，所述構造才在P2和P3處提供了完美的匹配。在Pl上入射的功率被分割為在P2和P3上提供-3dB。圖4圖示了一對不對稱的Wilkinson分配器，每一個具有不同寬度的兩個四分之一波長軌道。埠 Pl相當於來自天線5的輸入，並且埠 P2和P3分別與混合器23和整流器43相連接。一般來說，在P2和P3之間相同地分配功率，但是如果存在不對稱結構的需要，其引起僅僅小部分的功率到達功率收集器43而大部分的功率達到混合器23，則可以使用在圖5B中示出的構造。分配器的其他類型包括定向耦合器，例如支線耦合器或者邊緣耦合器。圖6A中的 支線耦合器是正交混合的，其中布置了具有相同阻抗的對70、71以及72、73以便在Pl處獲取功率，在P2和P4之間分配但是在P3處無輸出，該P3接地。這些比Wilkinson耦合器更難製造，並且由於P3對需求來說是多餘的所以所述耦合器也更為不緊湊。通過把兩條軌道75,76非常接近地一起印刷來形成圖6B的邊緣耦合器。其具有4個埠並且一個通過移能電阻(dump resistor)接地。由於軌道寬度與電解質的寬度之間的比例決定了需要的間隔，在軌道之間的所需間隙77對於現存的製造容限來說太小了。功率收集器43可以按照需要包含諧振電壓變換電路和/或Cockcroft-Walton電壓倍增器以便獲得所需的輸出電壓。圖7示出了功率收集器電路的實施的運行，所述功率收集器電路適用於本發明的遙控設備中的上變頻器。輸入信號60在RF頻率(例如2. 4GHz)處在電容61中看到低阻抗，所述電容可以是IOOpF的電容，但是該電容提供了在DC上的阻塞(block)。當電壓變高時，二極體62開始導通、接收電流並且將電荷施加至另一個電容63的上面的板上。當電壓變低時，第一二極體62反向偏置而另一個二極體64正向偏置。這為第一電容61恢復電荷。隨著時間的推移，該效應在65處產生了 DC輸出。在圖8的例子中示出了替換的實施，使用一對具有四分之一波長線66的整流器電路。通過在線66中抽頭拉低，所述線諧振從而提高了輸出給電容61的信號幅度，由此提高了來自本地諧振器的可用電壓，然後整流RF信號以便生成DC電壓。由於二極體64、62的寄生電容67、68，所需的線事實上比四分之一波長要小。整流器被調諧至2. 44GHz並且通過將兩個輸出65疊加進一步增加了可用電壓，在中間線上使用另一個電容69有效地作為新的大地，從而在相同的電流上得到兩倍電壓輸出。圖9示出了上變頻器的替換類型，用於使用在圖I的例子中。使用了兩埠參量放大器來替代混合器23。圖9的例子包含參量放大器核35以及在輸入端的大地20和用於連接偶極天線81、82的輸出埠 34，所述放大器核具有單端輸入21用於接收輸入信號13。通過高Q副載波頻率輸入電感器饋送輸入信號13 (典型地低於250MHz)，用於激勵變容二極體對83、84在共模狀態下與通過分流匹配導線對85至大地連接33的「接地回線」並聯。通過高Q副載波頻率輸入匹配扼流器86，高阻抗(非常低的電流需求)電源為變容二極體對83,84 (例如BBY53-02V)提供了例如3V的偏置電壓22以便設置正確的工作電容偏置點。通過合適地印刷的微波串聯匹配導線87、88和分流匹配導線85來饋送由微波天線81、82所接收的入射的本地振蕩器「泵」信號7 (具有例如2. 44GHz的頻率)，以便為變容二極體對83,84提供差分激勵(具有中心接地33)。該差分的LO信號7與共模副載波頻率激勵信號13在變容二極體83、84中混合，以便產生微波頻率下邊帶(lower side band, LSB)和上邊帶(upper side band, USB)產物。通過微波匹配導線87、88將這些差分狀態混合產物饋回至微波天線81、82以便發送回收發器的孔陣列(bore array)。參量放大器電路的兩個變容二極體83、84用作上變頻器和不需要DC電源的放大器，其直接使用「泵」信號7作為本地振蕩器和電源。參量放大器典型地是兩埠設備，其中，第一埠接收相對低頻率的、待上變頻且待放大的輸入信號，而第二埠接收相對高頻率的泵信號並且輸出相對高頻率的上變頻後的且放大了的混合產物。例如，輸入至參量放大器的泵信號7從空中發送中被接收，以便對消除遙控設備 的DC電源的任何要求。典型地，由上下邊帶和泵信號7所佔據的總帶寬足夠小以便落在單個天線的有效帶寬內。由此，提供兩埠參量放大器電路，以便第一埠 21接收待上變頻且待放大的輸入信號13，而第二埠 34接收泵信號7並且還在上下邊帶處輸出上變頻後的且放大了的輸入信號8。由偶極天線81、82從主機發送器9所接收的本地振蕩器信號7到達微波埠 34處，具有典型的+IOdBm的功率水平。該「泵」信號通過印刷的線匹配87、88被饋送至變容二極體對83、84。變容二極體81、82共陰極配置，其中陽極分別與一半的來自偶極天線81、82的平衡饋送(balanced feed)相連接,這引起變容二極體的在LO (泵)頻率處的反相激勵。經由副載波頻率輸入電感器86在共陰極點的激勵帶來了變容二極體83、84在輸入頻率處的同相激勵。在兩個變容二極體中的每個中產生的生成的LSB和USB信號由此是反相的。這些所需的輸出信號與入射的LO信號7的較大(發射的)部分一起然後通過印刷導線匹配87、88傳輸回偶極天線81、82，在所述偶極天線中信號8被廣播以便由主機9接收。與單端副載波頻率輸入端21串聯的高Q副載波頻率輸入匹配扼流器23，與變容二極體83、84的高容抗在副載波頻率處串聯諧振。副載波頻率輸入21的接地回線由微波埠分流導線的中心接地33所提供。在微波埠中的中心接地的分流微帶導線與變容二極體83、84的高容納(high capacitive admittance)的較大部分在微波埠頻率處諧振。串聯導線的平衡的對87、88然後對變容二極體的容抗的剩餘進行調諧並且完成阻抗變換，以便與微波偶極天線81、82的22 Ω平衡負載相匹配。在該實施中，二極體對於副載波頻率饋入是並聯連接的，從而使得變容二極體的高阻抗在副載波頻率處在輸入埠處觀察被減半。在微波埠處34觀察，二極體對於微波埠 34是串聯連接的，從而使得變容二極體的非常低的阻抗在2. 44GHz處從微波埠觀察被加倍。串聯/並聯結構適合於單端激勵、平衡微波激勵和兩埠運行。參量放大器的單端激勵在可能的副載波頻率處是適合的，並且用通過副載波頻率輸入扼流器86和接地回線33的激勵在微波埠電壓節點上實現。平衡微波埠在典型的2. 5GHz處適合與偶極天線相連接。對於典型地在2. 5GHz處的LO 「泵」饋入，以及對於在2. 5GHz 土副載波頻率處的輸出頻率，微波埠完全平衡地工作。副載波頻率可以根據設備(例如鍵盤、滑鼠、遙控器、遊戲控制器等)發生變化。這排除了在微波埠電路中的任何低阻抗接地的需要。微波埠的工作完全平衡地完美適合於平衡的偶極天線81、82的連接，以便接收LO信號7並且再次輻射LSB和USB信號8。用於參量放大器實施的功率收集與已對於混合器所描述的相似的方式起作用。從本地振蕩器信號7中收集DC功率以便提供用於LNA 32的需要的功率89以及用於參量放大器35的DC偏置電壓。如在圖10中所示，使用功率分配器44，在用於微波埠 24的埠 34A和用於整流器43的埠 34C之間分配在埠 34B上所接收的本地振蕩器，允許入射的LO信號的一部分與微波頻率埠 34相連接，所述微波頻率埠引導本地振蕩器功率並且從功率分配器44中返回上變頻後的邊帶和信號的其他部分，以便如上所述地與功率收集器電路43相連接。輸入到上變頻器4的輸入信號13在低噪聲放大器(LNA) 32中被放大並且被輸入 至兩埠參量放大器35的輸入埠 21。在與參量放大器的微波頻率埠 34相連接的微波天線5上接收來自在主機9中的微波天線3的輻射的本地振蕩器(LO)信號7。輸入信號13和LO信號7產生上下邊帶，其依舊在主機天線9的帶寬內，並且邊帶中的一個、另一個或者兩者被輻射用於由主機9中的接收器所接收，所述主機9然後對信號8進行處理。在一個例子中，遙控設備可以是無線計算機鍵盤和無線滑鼠中的一個。本發明使得能夠在不使用電池的條件下實施通過在主計算機和遠程附屬設備之間的微波連接的無線通信。主計算機與遠程鍵盤和滑鼠進行無線地通信，而不需要在鍵盤或滑鼠自身中的額外電源。從主計算機發射低功率的微波信號，並且由遙控設備接收，然後用於通過使用如上所述的混頻器或參量放大器來生成本地電源。與目前相比，本發明使設備小得多並且輕得多，因為不需要安裝電池組並且收集功率的上變頻器電路系統可以實施在集成電路上，由此僅僅佔據少量的空間。在使用中，不需要更換電池，由此帶來了更加有益於環境的產品，也避免了實際找到並更換電池的麻煩。能夠用相同的機制將來自遠程設備的信息(例如滑鼠點擊或者鍵盤擊打)傳輸回主機。在另一個例子中，用於電視接收器的無線遙控器系統使用了上面描述的設備和技術。遙控器能夠無線地與主機進行通信，而無需在遙控器中的額外的電源，所述主機是消費電子設備，例如TV、DVD或者HiFi。要切換的所需頻道、音量或者其他相似的來自遙控器的信息被傳輸回主機。針對使用這樣的消費電子的另一個應用是可以與主機無線地通信的無線電子遊戲控制器。
權利要求
1.一種無線控制設備，所述設備包含天線和功率收集器，所述功率收集器用於從入射到所述天線上的射頻信號中生成用於該設備的功率；所述設備還包含上變頻級；所述上變頻級包含第一埠和第二埠，所述第一埠用於接收待上變頻的控制信號，而所述第二埠用於接收入射的射頻信號並且在上、下邊帶頻率處輸出上變頻後的控制信號；其中，所述天線與所述第二埠f禹合。
2.按照權利要求I所述的設備，其中，所述上變頻級包含低噪聲放大器和兩埠混頻器。
3.按照權利要求I所述的設備，其中，所述上變頻級包含兩埠參量放大器。
4.按照權利要求3所述的設備，其中，低噪聲放大器被提供在所述參量放大器的第一埠處。
5.按照權利要求3或4所述的設備，其中，所述兩埠參量放大器包含在所述第一埠和所述第二埠之間連接的一對變容二極體；其中，從該第一埠看，所述二極體並聯連接，而從該第二埠看，所述二極體串聯連接；其中該第一埠通過低噪聲放大器接收輸入信號；並且，其中該第二埠接收入射的本地振蕩器信號並且輸出上變頻後的放大了的輸入信號。
6.按照權利要求4所述的設備，其中，所述功率收集器為所述低噪聲放大器提供DC電源。
7.按照上述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述功率收集器包含CockcroftWalton倍增器。
8.按照上述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述功率收集器包含阻抗電路，用於在整流為DC之前增加來自本地振蕩器的可用RF電壓。
9.按照上述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述上變頻器還包含在所述混頻器的第二埠和所述天線之間所耦合的功率分配器。
10.按照權利要求9所述的設備，其中，所述功率分配器在兩個輸出端之間分配入射的本地振蕩器功率，一個輸出端與所述功率收集器相連並且另一個輸出端與所述上變頻級的第二埠相連。
11.按照權利要求9或10所述的設備，其中，所述功率分配器包含定向耦合器和Wikinson I禹合器中的一個。
12.按照上述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述第二埠接收在2GHz至3GHz頻率範圍內的信號。
13.按照上述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述無線控制設備是遊戲控制臺遙控器、個人娛樂遙控器、鍵盤或滑鼠中的一個。
14.一種無線系統，其包含按照上述權利要求任一項所述的設備以及主機，所述主機進一步包含用於生成射頻信號的信號發生器和從中發射射頻信號的天線。
全文摘要
本發明涉及一種無線控制設備，其包含天線(5)和功率收集器(2)，所述功率收集器用於從入射到天線上的射頻信號中生成用於該設備的功率。所述設備還包含上變頻級；所述上變頻級包含第一埠(21)和第二埠(34)，所述第一埠用於接收待上變頻的控制信號(13)，所述第二埠用於接收入射的射頻信號(7)並且在上、下邊帶頻率處輸出上變頻後的控制信號(8)。所述天線與第二埠耦合。
文檔編號H04B1/40GK102859566SQ201180019929
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月11日 優先權日2010年4月19日
發明者P.貝斯利, O.海德 申請人:西門子公司