具有能够选择的天线极化的射频收发器的制作方法

具有能够选择的天线极化的射频收发器


背景技术：

1.电池管理系统(battery management system，bms)管理可充电电池包，例如可以在电动车辆中找到的可充电电池包。bms监视电池包的运行状态，并附加地对电池包的运行状态进行验证或平衡。在已知的bms中，监视模块通过以电线连接的链路来进行通信。因此，需要附加的组件(以及相应的增加的容错机会)，以允许监视模块之间相互通信。
2.所需要的是一种改进的方法，以用于在bms中的监视模块之间提供通信。


技术实现要素：

3.在本公开的一个方面中，提供了一种收发器，所述收发器具有能够选择的天线极化，所述收发器包括：天线结构；第一器件，所述第一器件能够被切换为耦合至所述天线结构；以及控制器，所述控制器耦合至所述第一器件，并且被配置为通过以下方式中的一种方式来设定所述天线结构的极化：所述控制器能够进行操作，以将所述第一器件耦合至所述天线结构；以及所述控制器能够进行操作，以将所述第一器件与所述天线结构解耦。
4.收发器可以包括第一开关，所述第一开关将所述第一器件耦合至所述天线结构，其中，所述控制器耦合至所述第一开关，并且其中，所述控制器还被配置为设定所述第一开关的状态。
5.收发器还可以包括：第二器件，所述第二器件能够被切换为耦合至所述天线结构；以及第二开关，所述第二开关将所述第二器件耦合至所述天线结构，所述第二开关耦合至所述控制器，其中，所述控制器还被配置为设定所述第二开关的状态。
6.所述第一开关和所述第二开关中的每一者包括至少一个rf开关，并且每个rf开关包括至少一个pin二极管。
7.此外，rf信号发生器可以耦合至所述控制器；并且阻抗匹配网络可以耦合至所述rf信号发生器、所述天线结构和所述控制器，其中，所述控制器还被配置为修改所述阻抗匹配网络，以使所述rf信号发生器和所述天线结构相匹配。
8.在本公开的另一方面中，提供了一种配置收发器的方法，所述方法包括：(a)将天线结构设定为一种极化配置；(b)通过如(a)中所设定的天线结构发送信号；(c)针对至少两种不同天线结构极化配置，重复步骤(a)以及步骤(b)；(d)接收操作极化配置的指示；以及(e)存储接收到的操作极化配置，以供所述收发器使用。
9.该方法还可以包括发送多个信号，每个信号具有在预定频率值范围内的相应频率值；接收针对每个频率的操作极化配置的指示；以及存储接收到的针对每个频率的操作极化配置，以供所述收发器使用。
10.在本公开的另一方面中，提供了一种配置电池管理系统中的主收发器和辅收发器的方法，主收发器和辅收发器中的每一者被提供有能够调整的天线极化设定，该方法包括：
11.针对所述主收发器和相应辅收发器的每个特定对：
12.针对主收发器极化设定和辅收发器极化设定的每个组合：
13.针对一个信道范围内的每个信道：
14.从该相应辅收发器向所述主收发器发送信号；
15.测量在所述主收发器处接收到的所述信号的至少一个参数；
16.针对主收发器极化设定和辅收发器极化设定的该相应组合和该相应信道，存储至少一个测量到的信号参数；
17.针对每个辅收发器，确定每个信道的操作极化设定，该确定是针对该相应辅收发器存储的至少一个测量到的信号参数的函数；
18.针对主收发器、辅收发器和信道的每个特定组合，确定主收发器操作极化设定，该确定是针对该相应辅收发器的、所存储的至少一个测量到的信号参数的函数；
19.在每个辅收发器中存储针对每个信道的、相应的所确定的操作极化设定；以及
20.在所述主收发器中存储针对主收发器、辅收发器和信道的特定组合的主收发器操作极化设定。
21.在本公开的另一方面中，提供了一种配置电池管理系统中的主收发器和辅收发器的方法，主收发器和辅收发器中的每一者都包括能够调整的天线极化设定，该方法包括：
22.(a)选择包括所述主收发器和相应辅收发器的特定对；
23.(b)将步骤(a)中所选的主收发器和辅收发器的特定对设定为相应极化设定的特定组合；
24.(c)在一个信道范围内选择信道；
25.(d)在步骤(c)中所选的信道上，从步骤(a)中的特定对中的相应辅收发器向所述特定对中的主收发器发送信号；
26.(e)当在所述主收发器处接收到步骤(d)中发送的信号时，测量该信号的至少一个参数；
27.(f)针对步骤(b)中的主收发器极化设定和辅收发器极化设定的相应组合和步骤(c)中所选的信道，存储步骤(e)中测量出的至少一个信号参数；
28.(g)针对步骤(b)中的主收发器和辅收发器的所述对和所述信道范围内的每个信道，重复步骤(c)至(f)；
29.(h)针对步骤(a)中的主收发器和辅收发器的所述对的相应极化设定的每个特定组合，重复步骤(b)至(g)；
30.(i)针对主收发器和辅收发器的每个特定对，重复步骤(a)至(h)；
31.(j)针对每个辅收发器，确定每个信道的操作极化设定，该确定是针对该相应辅收发器所存储的至少一个测量出的信号参数的函数；
32.(k)针对主收发器、辅收发器和信道的每个特定组合，确定主收发器操作极化设定，该确定是针对该相应辅收发器所存储的至少一个测量出的信号参数的函数；
33.(l)在每个辅收发器中存储针对每个信道确定的相应操作极化设定；以及
34.(m)在所述主收发器中存储针对主收发器、辅收发器和信道的特定组合的主收发器操作极化设定。
35.每个信道可以被设定为相应频率值。
36.所述至少一个测量出的信号参数是信号强度。
37.在本公开的另一方面，提供了一种操作收发器的方法，该方法包括：确定第一信道，其中，通信将通过所述第一信道来发送；将所述收发器配置为通过所确定的第一信道进
行通信；从存储器中检索对应于所述所确定的第一信道的第一极化设定；将天线结构配置为检索到的第一极化设定；以及利用被配置为所述第一极化设定的所述天线，通过所述第一信道传输信号。
38.将所述天线结构配置为具有第一极化设定包括以下操作之一：将所述天线结构耦合至地，或将所述天线结构与地解耦。
39.将所述天线结构配置为具有第一极化设定还包括以下操作之一：将第一器件耦合至所述天线结构，或将第一器件从所述天线结构解耦。
附图说明
40.下面参考附图讨论本公开的各个方面。应当理解，为了图示的简单和清楚起见，图中所示的元件不一定是准确地或按比例绘制的。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，或者几个物理组件可能被包括在一个功能块或元件中。此外，在认为适当的情况下，可以在多个附图中重复使用一些附图标号，以表示对应或类似元件。为清楚起见，可能并非在每张图中每个组件都被标号标记。提供这些图是为了说明和解释的目的，并不旨在限制本公开内容。在图中：
41.图1是根据本公开的一个方面的电池管理系统；
42.图2是图1的电池管理系统中的主模块和感应模块的功能框图；
43.图3是主模块或感应模块的一部分的电路图；
44.图4是图3的电路图的概念图；
45.图5是根据本公开的一个方面的确定图1的电池管理系统的主模块和感应模块的最佳极化设定的方法；
46.图6示出了在图5的确定方法期间检测到的相关信号强度图；以及
47.图7示出了根据本公开的一个方面的对应于不同天线配置的远场电磁矢量图。
具体实施方式
48.阐述了细节，以提供对本公开各个方面的透彻理解。本领域普通技术人员将理解，可以在没有一些特定细节的情况下实践本公开的各个方面。在其他情况下，可能没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和结构，以避免使本公开的各个方面模糊。
49.电池监视模块之间的有线通信链路需要额外的组件、增大了成本并且使用电池系统内的宝贵空间。如下文更详细地阐述的，模块之间的无线数据链路通过例如降低成本和优化对电池包内部空间的使用来提供竞争优势。可以将射频(rf)传输用于该无线链路，然而，在使用rf技术时需要考虑一些设计问题。
50.必须考虑到，电池包内用于rf传播的空间非常拥挤，并且只会变得更加拥挤，因为未来的电池包设计将会更小且更密集，并且该空间中会放置更多的电池。另外，散布有rf波的环境中存在大量会导致多路径效应的金属组件，由于耦合以及反射的复杂组合，这些金属组件对rf信号的传输质量产生负面影响。
51.在该金属封闭环境(metal-enclosed environment)中，与rf传输相关联的场的极化导致发射器和接收器之间的路径损耗。有利的是，根据在此呈现的本公开的多个方面，为在该封闭环境中相互通信的多个收发器提供极化分集(polarization diversity)的能力
改进了无线电池管理系统的rf链路预算。
52.在本公开的一个方面中，改变天线结构极化，以修改电池包内部从发射器到接收器的电磁场路径。在一种方法中，这种极化的改变使用rf开关，例如peregrine semiconductor提供的pe42359或skyworks solutions提供的sky13330-397lf。替代地，可以使用pin二极管(例如infineon technologies ag提供的bar64系列)来实现这些开关。相应地，改变天线结构内的传导rf电流路径通过修改生成的rf场的极化而修改了辐射方向图，并弥补了多路径效应带来的负面影响。
53.现在参考图1，电池管理系统100包括主模块102、多个电池104-1
…
104-n以及多个感应模块或辅模块114-1..114-n，每个电池104-x具有对应的感应模块114-x。主模块102通过无线通信方案(例如rf)与感应模块114-x通信。每个感应模块114-x监视对应电池的操作状况，包括但不限于电压水平、温度、充电水平等。替代地，主模块和感应模块中的每一个都可以被称为收发器或收发器模块。
54.主模块102和每个感应模块114-x包括如图2所示的组件。更具体地说，每个模块包括微处理器/rf信号发生器210，该微处理器/rf信号发生器210向阻抗匹配网络220提供第一rf信号212，而阻抗匹配网络220继而提供作为第一rf信号212的函数的第二rf信号214。本领域普通技术人员了解rf传输领域中阻抗匹配网络的操作，故不再对其操作做进一步描述。天线结构230接收第二rf信号214并发出所发送的rf信号216。
55.可以根据一个或多个开关222-1...222-n的状态所确定的那样来修改阻抗匹配网络220的配置，这些开关222-1...222-n由微处理器/rf信号发生器210通过相应的控制线224-x进行控制。本领域普通技术人员容易理解，开关222-x由微处理器/rf信号发生器210进行控制，以通过对阻抗匹配网络220的不同部分耦合/解耦，在微处理器/rf信号发生器210和天线结构230之间提供阻抗匹配。
56.应当注意，阻抗匹配网络220是可选的并且不是必需被包括在内。在本公开的一些方面，在不修改输入阻抗的情况下实现天线结构230的极化的切换。在其他方面，为了提供高效的网络匹配，有利地，提供阻抗匹配网络220并修改其设定以最好地与天线和rf源一起操作。换言之，在本公开的一些实施方式中，为天线提供能够修改的极化特征会影响其阻抗特性，而阻抗匹配网络220将弥补这种效应。
57.如下文中更详细描述的，天线结构的操作极化设定由多个开关232-1..232-n的状态确定，这些开关由微处理器/rf发生器210通过相应的控制线234-x进行控制。将组件与天线结构230耦合或解耦以确定操作极化设定。
58.在为解释目的而提供的非限制性示例中，如图3和4所示，两个开关232-1和222-1被用来修改天线结构230的极化。阻抗匹配网络220包括电容302，该电容302的一个端子耦合到rf源210的输出212并且另一端子耦合到开关222-1(sw2)，该开关222-1(sw2)由控制线224-1(cs1)进行控制。开关sw1在闭合时通过电容302将rf源210的输出212耦合到地，从而提供阻抗匹配网络220的两种配置。开关232-1(sw1)将电感器304耦合在地和天线结构230之间或将电感器304从地和天线结构230之间解耦。在图3和图4的解释性结构中，天线结构230具有两种可能的极化设定，其中
59.配置1：开关232-1(sw1)闭合，开关222-1(sw2)断开。
60.配置2：开关232-1(sw1)断开，开关222-1(sw2)闭合。
61.如图4所示，天线结构230可以在平面的印刷电路板(pcb)402上实现。参考图7，针对配置1和配置2的远场电磁矢量被绘制为如从印刷电路板402的上方所观察到的。可以看出，不同的极化配置导致辐射图的形状围绕垂直轴旋转。
62.在以上讨论的示例中，针对根据开关222-1(sw2)的状态的每种配置，阻抗网络220处于不同的状态。然而，如上所述，在本公开的一些方面，阻抗网络不是必需的，因为可以改变天线的极化并且可能出现的任何阻抗失配的影响极小。
63.本领域的普通技术人员将理解，可以实现任何数量的电容或其他组件以及相应的开关，以提供阻抗匹配网络220的多于两种的状态。类似地，可以实现任何数量的电感器或其他组件以及相应的开关，以提供天线230的多于两种的极化设定。此外，每个开关可以是采用例如pin二极管来实现的rf开关。
64.根据本公开的一个方面，为了在主模块102和每个感应模块114-x之间提供有效的(即最佳的)无线通信，针对通信频谱中的每个可用信道，确定每对主模块102和感应模块114-x的操作极化设定的最有效组合。这可以在首次安装电池管理系统100时作为初始化过程的一部分进行，或者如果出现通信性能下降的问题，则可以在安装后的某个时间点进行。此外，例如，如果电池模块的机械尺寸发生变化，则可能需要重新初始化。这些变化可能是由于模块内部的维修或物理修改所导致的。这些变化也可能由于机械扰动而发生，例如电池在长时间使用后由于温度影响、化学反应等而引起的振动或膨胀。这些行为取决于车辆类型(范围从小型电动汽车到大型电动卡车)。因此，这些变化可能经常发生在具有复杂电池包的大型车辆中，而在小型混合动力车辆中可能从不会发生。
65.将参考图5对根据本公开的一个方面的确定最佳极化设定的方法500进行描述。通常，该方法确定主模块和感应模块之间的最佳极化设定，感应模块在下文中可互换地称为辅模块。应该注意的是，阻抗也可以被调整以提供rf效率，然而，调整阻抗对于学习最佳极化组合的方面不是必需的。
66.在图5的流程图中，实现了以下变量：
67.mtot(np)＝主模块102的可能极化设定的总数；
68.stot(np)＝相应感应模块114-x的可能极化设定的总数；
69.tot(ns)＝电池模块100中的感应模块114-x的总数；
70.nps＝代表相应感应模块114-x的当前极化设定的数字；以及
71.npm＝代表主模块102的当前极化设定的数字。
72.方法500开始于步骤502，在步骤502处，当前感应模块被设定为ns＝1，以从感应模块的集合中的第一感应模块开始。在步骤506，当前主模块极化设定被设定为npm＝1，代表第一极化设定，并且相应感应模块的当前极化设定被设定为nps＝1，代表第一极化设定。当然，假设主模块以及感应模块中的每一者都具有至少两种不同的极化设定。
73.在步骤510，主模块将其极化设定为npm的当前值，并且指示感应模块ns将其极化设定为nps的当前值。主模块指示当前感应模块在每个信道上发送信号，并且主模块记录利用相应主模块极化设定和感应模块极化设定的情况下，在相应信道上接收到的信号的相应信号强度。在一种方法中，信号强度是在主模块处接收到的rf功率水平(以dbm为单位度量)，称为接收信号强度指示(rssi)。
74.主模块根据正在实施的多信道方法协调不同信道上的传输。跳频方法是已知的，
并且已经建立好通信协议。在一个非限制性示例中，初始通信通过预定的“通告(advertising)”信道进行传输，例如，该信道使用2.402ghz、2.426ghz或2.480ghz的蓝牙标准，但也可以使用其他频率。在此首次通信期间，主模块指示辅模块从信道0开始发送，一旦完成信号强度测量，主模块就通过信道0指示辅模块转到下一个信道(1)，依此类推，直到最后一个信道为止。如果通信丢失，例如在超时时间后没有应答，则主模块和辅模块返回通告信道以重新连接。
75.在步骤512，确定是否当前感应模块极化设定nps＝stot(np)，即是否全部数量的所有可能的感应模块极化设定都已经被测试，如果不是，则增加nps到nps＝nps+1(步骤514)，并且控制返回至步骤510。如果在步骤512，最后一个的感应模块极化设定已被测试，则控制转到步骤516，在步骤516，nps被重置为nps＝1，然后在步骤518，确定是否npm＝mtot(np)，即，是否所有主模块极化设定都已被测试。如果不是，则控制转到步骤520，在步骤520，npm增加到npm＝npm+1并且控制返回到步骤510。
76.当已经针对当前感应模块测试了所有主模块极化设定，根据步骤518，控制转到步骤522，在步骤522，主模块针对每个主模块/感应模块组合并且针对每个信道确定最佳极化组合。
77.在步骤524，确定是否ns＝tot(ns)，即，是否已经测试了所有感应模块。如果不是，则控制转到步骤526，在步骤526，ns增加到ns＝ns+1以测试下一个感应模块，并且控制转到步骤506。否则，控制转到步骤528，在步骤528，信息被存储在每一个主模块和每一个感应模块中。该信息可以存储在本领域已知的非易失性存储器中，并且在一个非限制性示例中该信息可以是查找表的形式。随后，初始化过程在步骤530结束。
78.方法500也可以用伪代码描述：
79.(a)针对主模块和相应辅模块的每个特定对：
80.(a)(1)针对主模块极化设定和辅模块极化设定的每种组合：
81.(a)(1)(a)针对一个信道范围内的每个信道：
82.(a)(1)(a)(1)将信号从辅模块发送到主模块；
83.(a)(1)(a)(2)测量在主模块处接收到的信号的参数；
84.(a)(1)(a)(3)存储针对相应的主模块和辅模块极化设定组合以及信道的测量出的信号参数；
85.(b)针对每个辅模块，确定针对每个信道的操作极化设定，该确定是针对相应辅模块的测量出的信号参数的函数；
86.(c)针对主模块、辅模块和信道的每个特定组合，确定主模块操作极化设定，该确定是针对相应辅模块的测量出的信号参数的函数；
87.(d)在每个辅收发器中存储针对每个信道的相应的所确定的操作极化设定；以及
88.(e)在主收发器中存储针对主收发器、辅收发器和信道的特定组合的主收发器操作极化设定。
89.应当注意，确定针对主模块和当前感应模块的最佳极化组合(步骤522)是在进行到下一个感应模块之前做出的。替代地，可以测试所有感应模块，然后再确定最佳组合，如上面伪代码示例中所述。
90.此外，在初始化过程之前可能已知某些极化组合不是有效的，那么可以跳过这些
极化组合。
91.为了帮助理解本公开的多个方面，图6中提供了体现测量信号的子集的图表，这些测量信号是主模块和感应模块之一之间的测量信号。在这个示例中，主模块和感应模块中的每一个都有两种可能的极化设定，但只测试了两种场景。在场景1中，主模块处于其第一极化设定，并且感应模块处于其第二极化设定。在场景2中，主模块处于其第二极化设定，并且感应模块处于第一极化设定。展示了相应的测量出的信号强度，并标识出示例性2.4ghz频带中每个信道中最强的信号强度。
92.应当注意，将模块标识为主模块或辅模块仅用于标识功能。因此，感应模块或辅模块中的任何一个都可以被配置为主模块。
93.有利的是，天线的增益及其辐射效率对根据本公开的各个方面被修改的天线的极化具有非常小的敏感性。
94.可以在数字电子电路、计算机硬件、固件和/或软件中提供上述系统和方法的各种实施方式。一种实施方式可以是作为计算机程序产品，例如有形地体现在信息载体中的计算机程序。该实施方式可以在例如机器可读存储设备中，以供数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。该实施方式可以是例如可编程处理器、计算机和/或多台计算机。
95.上述实施方式总体描述了计算机实施的系统采用至少一个处理器或处理单元从至少一个存储器中执行程序步骤以获得这里描述的功能。应当认识到，当前描述的方法可以通过使用软件、固件来实现，或者可以替代地通过诸如fpga(现场可编程门阵列)和/或asic(专用集成电路)之类的专用硬件解决方案来实现。模块、子程序和软件代理可以指实现该功能的计算机程序、处理器或处理单元、特殊电路、软件和/或硬件的一些部分。
96.计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包括编译和/或解释语言，并且计算机程序可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为子程序、元素和/或其他适合在计算环境中使用的单元。
97.如所使用的，一个或多个处理单元可以表示例如cpu类型处理单元、gpu类型处理单元、现场可编程门阵列(“fpga”)、(一个或多个)数字信号处理器(“dsp”)、或在某些情况下可以由中央处理单元(“cpu”)驱动的其他硬件逻辑组件。
98.计算机可读介质可以存储能够由一个或多个处理单元执行的指令，并且可以包括计算机存储介质和/或通信介质。计算机存储介质可以包括易失性存储器、非易失性存储器和/或其他持久性和/或辅计算机存储介质中的一种或多种。
99.应当理解，本公开的应用不限于本文所述或附图所示的组件的构造和布置细节，因为它能够以各种方式来实现或实践或实施。此外，应理解，本文中使用的用词和术语仅用于描述目的，不应视为限制。
100.为清楚起见，在多个单独的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中以组合形式提供。相反，为简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合的形式提供。
101.参考所公开的实施方式对本公开进行了说明性描述。本领域技术人员可以在不脱离如所附权利要求中所限定的本公开的范围的情况下，对所公开的实施方式进行各种修改和改变。