DE10024483A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer Antenne - Google Patents

Abstract

Eine schmalbandige Antenne wird über einen Abstimmschwingkreis auf eine optimale Resonanzfrequenz eingestellt. Der Abstimmschwingkreis weist eine Varaktordiode auf, deren Kapazität über eine eingeprägte Spannung variiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer Antenne, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.

Antennen werden beispielsweise bei Mobilfunktelefonen einge­ setzt, um Daten über eine Übermittlungsstation mit einem an­ deren Telefon auszutauschen. In der Mobilfunktechnik besteht ein Trend zur Miniaturisierung und zur Integration von Anten­ nen. Eine Möglichkeit dazu ist die Verwendung von dielektri­ schen Materialien mit einer großen Dielektrizitätskonstanten. Die kleineren Antennen weisen jedoch den physikalischen Nach­ teil auf, dass sie nur in einem schmalen Frequenzband eine relativ gute Sende- und Empfangscharakteristik aufweisen. Weiterhin werden integrierte Antennen relativ leicht von Au­ ßen beeinflusst, wobei sich die Resonanzfrequenz meist zu niedrigeren Frequenzen verschiebt. Die Verschiebung der Reso­ nanzfrequenz zu niedrigen Frequenzen hin, führt bei einer verschlechterten Antennenanpassung zu einem Verlust der abge­ strahlten und der empfangenen Sende- bzw. Empfangsleistung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer Antenne bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 6 besteht darin, dass die Antenne in der Resonanzfrequenz einstellbar ist. Auf diese Weise kann auch eine schmalbandige Antenne auf eine optimale Resonanzfrequenz abgestimmt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Eine bevorzugte Ausführungs­ form der Erfindung besteht darin, als Schalteinheit eine Re­ cheneinheit vorzusehen, mit der die Resonanzfrequenz variier­ bar ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet einen Abstimmschwingkreis zur Einstellung der Resonanzfrequenz der Antenne, wobei der Abstimmschwingkreis eine veränderbare Ka­ pazität aufweist. Über die veränderbare Kapazität kann auf einfache und präzise Weise die Eigenfrequenz des Abstimm­ schwingkreises variiert werden und die Resonanzfrequenz der Antenne eingestellt werden.

Vorzugsweise wird als veränderbare Kapazität eine Varaktordi­ ode verwendet.

In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung wird die Re­ sonanzfrequenz der Antenne nur in Bezug auf den Empfang opti­ mal eingestellt und die Resonanzfrequenz zum Senden in Abhän­ gigkeit von der für den Empfang eingestellten Resonanzfre­ quenz gewählt, wobei der Frequenzabstand zwischen den Reso­ nanzfrequenzen einem vorgegebenen Duplexabstand entspricht. Auf diese Weise wird die Abstimmung der Antenne in Bezug auf das Senden nur über die für einen optimierten Empfang abge­ stimmte Frequenz erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er­ läutert; Es zeigen

Fig. 1 eine Antenne mit Abstimmschwingkreis und Schaltein­ heit,

Fig. 2 ein Verfahren zum Abstimmen der Antenne und

Fig. 3 eine Antenne mit einer Messeinrichtung für die abge­ strahlte und reflektierte Leistung.

Fig. 1 zeigt eine Antenne 1, die vorzugsweise auf ein vorge­ gebenes Frequenzband abgestimmt ist. Die Antenne ist bei­ spielsweise in miniaturisierter Form ausgebildet und auf ei­ nem Halbleiterbaustein integriert und weist deshalb ein rela­ tiv schmales Frequenzband auf, in dem die Antenne 1 Signale senden und/oder empfangen kann.

Die Antenne 1 steht mit einem Abstimmschwingkreis in Verbin­ dung, der eine Kapazität in Form einer Varaktordiode 2 und eine Spule 3 aufweist. Die Antenne 1 ist an eine Verbindungs­ leitung zwischen der Varaktordiode 2 und der Spule 3 vorzugs­ weise mit dem Antennenfußpunkt angeschlossen. Die Varaktordi­ ode 2 ist an Masse 5 angeschlossen. Die Spule 3 steht zudem mit einem Kondensator 4 in Verbindung, der an Masse 5 ange­ schlossen ist. Der Kondensator 4 ist in der Weise dimensio­ niert, dass im Resonanzfrequenzbereich der Antenne 1 ein Kurzschluss über den Kondensator 4 vorliegt. Zwischen der Spule 3 und dem Kondensator 4 ist eine Leitung 14 angeschlos­ sen, die über einen Widerstand 7 zu einen Digital/Analog- Wandler 9 führt. Der Abstimmschwingkreis kann auch an einem anderen Anschlusspunkt der Antenne angeschlossen sein. In ei­ ner einfachen Ausführung ist anstelle des Abstimmschwingkrei­ ses nur ein Abstimmelement in Form eines Kondensators ange­ ordnet.

Weiterhin ist ein Hochfrequenztransceiver 8 vorgesehen, der an den Antennenfußpunkt zwischen der Varaktordiode 2 und der Spule 3 angeschlossen ist. Der HF-Transceiver 8 steht über eine zweite Schnittstelle 13 mit dem Digital/Analog-Wandler 9 und mit einem Analog/Digital-Wandler 10 in Verbindung. Der Digital/Analog-Wandler 9 und der Analog/Digital-Wandler 10 stehen über eine erste Schnittstelle 12 mit einer Rechenein­ heit 11 in Verbindung. Eine Schnittstelle umfasst Daten- und Steuerleitungen. Vorzugsweise sind mehrere A/D-Wandler 10 und D/A-Wandler 9 vorgesehen.

Der Hochfrequenztransceiver 8 ist vorzugsweise als voll in­ tegrierter Multi-Band-Transceiver für das GSM900-, DCS1800- und PCS1900-Band ausgebildet. Der HF-Transceiver weist einen Sender, einen Empfänger, Phace-Loked-Loop-Schaltungen, span­ nungsgesteuerte Oszillatoren (VCO), Filter und Spannungsreg­ ler auf.

Der HF-Transceiver 8 steht über eine dritte Schnittstelle 15 mit der Recheneinheit 11 in Verbindung. Weiterhin ist ein Da­ tenspeicher 17 vorgesehen, der mit der Recheneinheit 11 ver­ bunden ist. Zudem ist ein Lautsprecher 16 vorgesehen, der an den D/A-Wandler 9 angeschlossen ist.

Der Widerstand 7 ist für eine einfache Ausführungsform nicht unbedingt notwendig und weist einen Widerstandswert von bei­ spielsweise 10 KΩ auf.

Fig. 2 beschreibt die Funktionsweise der Anordnung der Fig. 1.

Bei Programmpunkt 30 will die Recheneinheit 11 über die An­ tenne 1 ein Signal bei einer gewünschten Frequenz empfangen. Dazu holt sie aus dem Datenspeicher 16 einen Wert, der für diese Frequenz als Steuerspannung für die Varaktordiode abge­ legt ist. Dieser Wert wurde entweder beim Geräteabgleich oder bei einem vorhergehenden Empfang für diese Frequenz als Wert für die Steuerspannung ermittelt. Weiterhin wird aus dem Da­ tenspeicher ein Verstärkungswert geholt, der beim letzten Da­ tenempfang ermittelt wurde, so dass sich am Ausgang des HF- Transceivers eine gewünschte Ausgangsleistung einstellt.

Beim folgenden Programmpunkt 35 übergibt die Recheneinheit 11 den Wert für die Steuerspannung an den Digital/Analog-Wandler 9. Die sich daraus ergebende Steuerspannung wird über die Steuerleitung 14, den Widerstand 7 und die Spule 3 an die Va­ raktordiode 2 anlegt. Mit dieser Spannung ergibt sich eine bestimmte Kapazität, welche die Resonanzfrequenz der Antenne (Frequenz bei der die Anpassungsverluste zwischen Antenne und HF-Transceiver minimal sind) auf eine vom Wert der Steuer­ spannung abhängige Frequenz verändert. Den Verstärkungswert aus dem Datenspeicher 16 übergibt die Recheneinheit 11 über die dritte Schnittstelle 15 an den HF-Transceiver 8. Mit die­ ser Einstellung der Antennenresonanzfrequenz wird zu einem Drittel einer Signaldauer ein Teil des Empfangssignals mit der Antenne 1 empfangen. Während dem zweiten Drittel der Sig­ naldauer wird das Signal mit einer zu höheren Frequenzen hin verschobenen Antennenresonanzfrequenz ein weiterer Teil des Empfangssignals mit der Antenne 1 empfangen. Während dem letzten Drittel der Signaldauer wird das Signal mit einer zu niedrigeren Frequenzen hin verschobenen Antennenresonanzfre­ quenz das letzte Teil des Empfangssignals empfangen. Die Fre­ quenzabstände sind dabei vorzugsweise äquidistant. Die Um­ schaltung der Frequenz erfolgt durch einen veränderten Wert für die Steuerspannung, die an die Varaktordiode 2 angelegt wird. Alle Empfangssignale werden dem HF-Transceiver überge­ ben, der das Signal in eine niedrigere Frequenz umsetzt, das Signal um den eingestellten Verstärkungswert verstärkt, Stör­ signale wegfiltert und das Nutzsignal über den Ana­ log/Digitalwandler 10 der Recheneinheit übergibt. Das Nutz­ signal wird im Datenspeicher 17 zwischengespeichert, um nach dem Datenempfang ausgewertet zu werden.

Im Programmpunkt 40 wird von der Recheneinheit 11 die Signal­ energie für die drei Teile des empfangenen Nutzsignals ge­ trennt berechnet. Besitzt das erste Drittel die höchste Sig­ nalenergie oder zumindest die gleiche Signalenergie wie eines der beiden anderen Drittel, erfolgt keine Änderung für den abgespeicherten Wert der Steuerspannung. Um das nächste Sig­ nal bei dieser Frequenz zu empfangen wird bei Programmpunkt 30 fortgefahren. Besitzt das zweite Drittel der Nutzsignale die höchste Signalenergie wird der Wert für die höhere Fre­ quenz für die Steuerspannung im Datenspeicher an der Stelle, die für diese Frequenz vorgesehen ist, abgespeichert. Besitzt das letzte Drittel der Nutzsignale die höchste Signalenergie wird der Wert für die niedrigere Frequenz für die Steuerspan­ nung im Datenspeicher abgespeichert. Anschließend wird bei Programmpunkt 30 fortgefahren um das nächste Signal bei die­ ser Frequenz zu empfangen.

Die Abstimmung auf die optimale Empfangsleistung wird vor­ zugsweise beim Aufbau einer Datenverbindung mit einer Über­ mittlungsstation oder bei Beginn eines Gespräches durchge­ führt.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Antenne 1 in vorgegebenen Zeitabständen während einer Datenübertragung o­ der eines Gespräches auf eine optimale Empfangsfrequenz abge­ stimmt.

Die Antenne 1 wird in einer einfachen Ausführungsform abhän­ gig von der Resonanzfrequenz für einen optimalen Empfang auf eine Resonanzfrequenz für ein optimales Senden in der Weise eingestellt, dass die Recheneinheit 11 eine Steuerspannung auf die Varaktordiode 2 überträgt, die einer Resonanzfrequenz der Antenne 1 entspricht, die einen Duplexabstand von der Re­ sonanzfrequenz des optimalen Empfangs aufweist. Der Duple­ xabstand beträgt z. B. 45 MHZ bei GSM900.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Resonanzfre­ quenz der Antenne 1 zum Senden nach einem Verfahren abge­ stimmt, das analog zu dem Verfahren zur Abstimmung der Anten­ ne zum Empfangen ausgebildet ist. Dazu wird die Sendeleistung der Antenne 1 über die Bestimmung der Leistungsreflexion der Antenne 1 optimiert.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, mit der ei­ ne Abstimmung der Sendefrequenz möglich ist.

Ein Leitungskoppler 20 misst die von der Antenne 1 während einer Aussendung eines Signals reflektierte Leistung und gibt ein davon abhängiges Signal über eine zweite Leitung 22 an einen Detektor 23. Weiterhin misst der Leitungskoppler 20 die Leistung des vom HF-Transceiver 8 abgegebenen Signals und gibt ein davon abhängiges Signal über eine erste Leitung 21 an den Detektor 23.

Der Detektor 23 ist vorzugsweise als zweifacher logarithmi­ scher Verstärker ausgebildet. Über eine erste Ausgangsleitung 24 wird dem HF-Transceiver 8 ein verstärktes Koppelsignal zu­ geführt, das von der ausgesendeten Leistung des HF- Transceivers 8 abhängt. Das Koppelsignal verwendet der HF- Transceiver, um die auszusendende Leistung auf einen Sollwert zu regeln. Über eine zweite Ausgangsleitung 25 führt der De­ tektor 23 ein von der reflektierten Leistung der Antenne 1 abhängiges Signal über den A/D-Wandler 10 der Recheneinheit 11 zu.

Die abgestrahlte Sendeleistung wird dadurch optimiert, dass die von der Antenne 1 reflektierte Leistung mit einem Lei­ tungskoppler 20 erfasst und gemessen wird und die Antenne 1, von der Recheneinheit 11 über die Vorgabe einer Steuerspan­ nung analog zu dem Abstimmvorgang für die Resonanzfrequenz beim Empfang solange verstimmt wird, bis sich eine minimale reflektierende Leistung einstellt.

Der Algorithmus zur Bestimmung der optimalen Resonanzfrequenz zum Senden verläuft analog zur Bestimmung der optimalen Reso­ nanzfrequenz zum Empfangen, mit der Ausnahme, dass eine Fre­ quenzeinstellung der Antenne für die gesamte Signaldauer ei­ nes Sendeblocks beibehalten wird, so dass ein Iterations­ schritt damit drei Sendeblöcke benötigt, um die Antennenreso­ nanzfrequenz gleich zu belassen, zu erhöhen oder zu erniedri­ gen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer Antenne,
mit einer Sende- und Empfangseinheit, die an die Antenne angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Abstimmelement (2) vorgesehen ist, das an die Antenne (1) angeschlossen ist,
wobei das Abstimmelement (2) die Resonanzfrequenz der An­ tenne (1) beeinflusst, und
dass eine Schalteinheit (11) vorgesehen ist, mit der die elektrische Eigenschaft des Abstimmelementes (2) veränder­ bar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit in Form einer Recheneinheit (11) und in form eines A/D-Wandlers (9) ausgebildet ist, wobei der Ausgang des A/D-Wandlers (9) mit dem Abstimmelement (2) in Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmelement (3) eine veränder­ bare Kapazität (2) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Kapazität als Varaktordiode (2) aus­ gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abstimmschwingkreis (3, 2) vorgesehen ist, dass der Abstimmschwingkreis eine Serienschaltung aufweist, die eine Varaktordiode (2), eine Spule (3) und einen Sperrkon­ densator (4) umfasst, dass die Antenne (1) zwischen der Varaktordiode (2) und der Spule (3) an den Abstimmschwing­ kreis angeschlossen ist,
dass die Sende- und Empfangseinheit (8) zwischen der Va­ raktordiode (2) und der Spule (3) an den Abstimmschwing­ kreis (2, 3) angeschlossen ist,
dass zwischen der Spule (3) und dem Sperrkondensator (4) ein Analog-Digitalwandler (9) und eine Recheneinheit (11) angeschlossen sind.

6. Verfahren zum Senden und/oder Empfangen von Signalen mit einer Antenne, wobei die Empfangsleistung und/oder die reflektierte Sendeleistung der Antenne gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der Antenne (1) in einem vorge­ gebenen Frequenzbereich so lange verändert wird, bis innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereiches eine ma­ ximale Empfangsleistung und/oder eine minimale reflektier­ te Sendeleistung ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Senden von Signalen die Resonanzfrequenz der An­ tenne (1) in eine Sendefrequenz umgeschaltet wird, die ei­ nen vorgegebenen Frequenzabstand von der Resonanzfrequenz der Antenne (1) bei maximaler Empfangsleistung aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Resonanzfrequenz der Antenne (1) zu vorgegebenen Zeitpunkten durchgeführt wird.