DE10047903A1 - Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung mit abstimmbarer Antenne - Google Patents

Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung mit abstimmbarer Antenne

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Abstract

Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung mit abstimmbarer Antenne weist eine erste variable Kapazität auf, die einen Antennenarm der Antenne in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich teilt, wobei jeweils ein Anschluss der Kapazität mit einem der Teilbereiche elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich ist eine Entkopplungseinrichtung mit der variablen Kapazität, die Gleichspannungssignale und Hochfrequenzsignale entkoppelt, sowie aufgrund mindestens eines ersten Eingangssignals eine Einstellung des Kapazitätswertes der variablen Kapazität ermöglicht, so dass dadurch die elektrisch wirksame Länge der Antenne verändert wird, wobei eine Regelungseinrichtung aufgrund mindestens einer die Qualität eines durch das mobile Funksende-/Funkempfangsgerät empfangenen Signals angebenden Größe (RSSI) den Wert des ersten Eingangssignals solange verändert, bis die Resonanzfrequenz der Antenne der aktuellen Sende-/Empfangsfrequenz zumindest annähernd entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein mobiles Funksende-/Funkempfangs­ gerät mit abstimmbarere Antenne sowie ein Verfahren in einem mobilen Funksende-/Funkempfangsgerät zur Steuerung der Anten­ nenabstimmung.
In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispiels­ weise Sprache, Bildinformation oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen übertragen. Das Abstrahlen bzw. der Empfang der elektromagnetischen Wellen erfolgt durch Antennen, wobei die Trägerfrequenzen, in dem für das jeweili­ ge System vorgesehenen Frequenzband liegen.
Die elektrisch wirksame Länge der Antenne, die die Resonanz­ frequenz - deren Einhaltung letztlich einen maximalen Anten­ nengewinn garantiert - einer Antenne bestimmt, wird für den Einsatz in einem Funksende-/Funkempfangsgerät im Allgemeinen nur für ein zu erwartendes - durch seine Umweltbedingungen gekennzeichnetes - Szenario, beispielsweise entweder für die Verwendung im Freiraum oder am Benutzerkopf, optimiert.
Bei mobilen Funksende-/Funkempfangsgeräten ändert sich häufig das Anwendungsszenario, beispielsweise liegt das mobile Funk­ sende-/Funkempfangsgerät auf dem Tisch oder in der Jackenta­ sche, so dass die (Umwelt-)Bedingungen, die bei der optimalen Einstellung vorausgesetzt wurden, nicht mehr gegeben sind.
Die Veränderten Umweltbedingungen, beispielsweise in Form der die Antenne umgebende Materialien, weisen im Vergleich zum Anwendungsszenario des freien Raums stets eine größere Die­ lektrizitätszahl εr bzw. Permeabilität µr als der freie Raum, so dass eine Verschiebung der Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzwerten erfolgt.
Die optimale Resonanzfrequenz der Antenne ist dann nicht mehr eingehalten, so dass es zu einer Verstimmung der Antenne führt, die im äußersten Fall sogar zum Abbruch einer beste­ hende Verbindung führt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es ein mobiles Funksende-/Funkempfangsgerät mit abstimmbarer Antenne und ein Verfahren in einem mobilen Funksende-/Funkempfangsgerät an­ zugeben, dass eine Einhaltung der Resonanzfrequenz gewähr­ leistet.
Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1 durch die kennzeichnenden Merkmale gelöst.
Des Weiteren wird die Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruches 7 durch die kennzeichnenden Merkmale gelöst.
Die Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung mit abstimmba­ rer Antenne gemäß Anspruch 1, weist eine erste variable Kapa­ zität auf, die einen Antennenarm der Antenne in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich teilt, wobei je­ weils ein Anschluss der Kapazität mit eine der Teilbereiche elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich ist eine Ent­ kopplungseinrichtung mit der variablen Kapazität, die Gleich­ spannungssignale und Hochfrequenzsignale entkoppelt, sowie aufgrund mindestens eines ersten Eingangssignals eine Ein­ stellung des Kapazitätswertes der variablen Kapazität ermög­ licht, wobei eine Regelungseinrichtung aufgrund mindestens einer die Qualität eines durch das mobile Funksende- /Funkempfangsgerät empfangenen Signals angebenden Größe, den Wert des ersten Eingangssignals solange verändert wird bis die Resonanzfrequenz der Antenne der aktuellen Sende- /Empfangsfrequenz zumindest annähernd entspricht.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass durch kostengünstige Maßnahmen, unter anderem durch die Verwendung von Massenprodukten wie die variable Kapazität, begründet, eine elektrische Änderung der elektrischen Länge der Antenne ermöglicht wird, die in Verbindung mit der Re­ geleinrichtung eine Anpassung an unterschiedliche Umweltbe­ dingungen (Anwendungsszenarios) ermöglicht. Der Verschleiß mechanischer Bauteile wie sie bei mechanischer Verstimmung von Antennen gegeben ist (z. B. bei elektromechanisch ange­ triebener Teleskopantenne), ist ebenfalls ausgeschlossen und gewährleistet eine hohe Lebensdauer bzw. senkt die Ausfall­ wahrscheinlichkeit eines mobilen Funksende-/Funkempfangs­ geräts. Zudem ist die Anordnung platzsparend und damit für platzkritische Anwendungen, insbesondere bei Bluetooth- Geräten, geeignet.
Nach dem Verfahren zur Steuerung einer abstimmbaren Antenne gemäß Anspruch 7, wird ein erstes Eingangssignal eine variab­ le Kapazität derart ansteuert, dass die elektrisch wirksame Länge der Antenne verändert wird, wobei aufgrund mindestens einer die Qualität eines durch das mobile Funksende-/Funk­ empfangsgerät empfangenen Signals angebenden Größe, der Wert eines ersten Eingangssignals solange verändert wird bis die Resonanzfrequenz der Antenne der aktuellen Sende-/Empfangs­ frequenz zumindest annähernd entspricht.
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Änderung der elektrisch wirksamen Antennenlänge durch aufwandsarm erzeugte elektrische Signale, die eine Anpassung an verschieden Um­ weltbedingungen (Anwendungsszenarios) ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen beschrieben.
Weitere Erläuterungen der Erfindung und Vorteile werden an­ hand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in der einzigen Figur dargestellt ist, angeführt. Diese Figur zeigt:
Ein mobiles Funksende-/Funkempfangsgerät mit einer er­ findungsgemäß abstimmbaren "inverted F-Antenne
In der Figur ist eine in einem mobilen Funksende- /Funkempfangsgerät angeordnete "inverted F-Antenne" A in pla­ nerer Form dargestellt.
Ein erster (F-)Querleiter Q1 ist mit einer Massemetallisie­ rung MASSE, während ein zweiter (F-)Querleiter Q2 als Spei­ sepunkt Verwendung findet.
Der erste (F-)Querleiter Q1 und der zweite (F-)Querleiter Q2 sind mit einem ersten Teilbereich T1 des Antennenarms (F- Längsleiter) elektrisch leitend verbunden ist.
Zwischen dem ersten Teilbereich T1 und einem zweiten Teilbe­ reich T2 des Antennenarms ist eine Varaktordiode D geschal­ tet, wobei die Anode der Varaktordiode D elektrisch leitend mit dem ersten Teilbereich T1 verbunden ist und die Kathode der Varaktordiode D elektrisch leitend mit dem zweiten Teil­ bereich verbunden.
Der erste Teilbereich T1 und der zweite Teilbereich T2 soll­ ten vorzugsweise die gleiche physikalische Länge aufweisen.
Des Weiteren ist ein erster Anschluss eines Widerstandes R mit der Kathode der Varaktordiode elektrisch leitend verbun­ den, wobei an einem zweiten Anschluss des Widerstandes R ein erster Pol eines Kondensators C sowie dessen zweiter Pol mit der Massemetallisierung MASSE elektrisch leitend angeschlos­ sen ist.
An dem Kondensator C liegt eine Gleichspannung U0 an, die ein Ausgangssignal einer Regeleinrichtung µP ist.
Bei der in der Figur dargestellten erfindungsgemäßen Anord­ nung wird die Beeinflussung der Resonanzfrequenz durch die durch verschiedene Anwendungsszenarien gegebenen, das mobile Funksende-/Funkempfangsgerät umgebenden, Materialien mittels einer Veränderung der elektrisch wirksamen Länge der Antenne A kompensiert, da die Resonanzfrequenz der Antenne A durch die elektrisch wirksame Länge bestimmt wird.
Eine Änderung der elektrisch wirksamen Länge der Antenne A wird durch die Änderung des Kapazitätswertes der dargestellte Varaktordiode D erreicht, da durch eine kapazitive Last eine Verkürzung der elektrisch wirksamen Länge der Antenne A be­ wirkt wird.
Eine Steigerung des Kapazitätswertes - quasi ein allmähliches Auftrennen des Antennenarms - bewirkt daher ein stetes Ver­ kürzen der elektrisch wirksamen Länge, wobei das Verkürzen letztlich zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz vom ak­ tuellen Wert hin zu höheren Frequenzwerten führt, d. h. zu (Resonanz-)Frequenzwerten, die in dem der Optimierung zugrun­ deliegenden Anwendungsszenario des freien Raums auftreten. Das Frequenzband, in dem durch die Variation der Kapazität der Varaktordiode D die Resonanzfrequenz eingestellt werden kann, hängt von dem Kapazitätshub (Cmax/Cmin), d. h. dem Ver­ hältnis eines maximal einstellbaren Kapazitätswertes Cmax zu einem minimal einstellbaren Kapazitätswert Cmin der Varaktor­ diode ab.
Die Änderung des Kapazitätswertes der Varaktordiode D wird hierbei durch Verändern der Vorspannung - Spannung an der Ka­ thode - der Varaktordiode D erzielt.
Bei der dargestellten Anordnung wird diese Vorspannung durch die an dem Kondensator anliegende Spannung (erstes Eingangs­ signal) U0 bestimmt, da die an dem Widerstand R abfallende Spannung trotz seines hohen Wiederstandswertes (mehrere 10 KΩ aufgrund des im Allgemeinen im nA-Bereich liegenden Gleichstroms vernachlässigbar gering ist, so dass die Vorspannung ungefähr gleich dem ersten Eingangssignal U0 anzu­ nehmen ist.
Durch Verändern des ersten Eingangsignals U0 wird somit eine Regelung der elektrisch wirksamen Länge der Antenne A er­ zielt, in dem der dazu notwendige Wert des ersten Eingangs­ signals U0 in Abhängigkeit des Ergebnisses einer - in mobilen Funksende-/Funkempfangsgerät ohnehin durchgeführten - Emp­ fangspegelmessung, beispielsweise einer RSSI ("Receiver Sig­ nal Strength Indicator") Messung, als Ausgangssignal eines Mikroprozessors µP zur Verfügung gestellt wird, wobei alter­ nativ dafür der vorhandene Mikroprozessor µP des mobilen Funksende-/Funkempfangsgeräts verwendet wird.
Das Verfahren zur Abstimmung mittels dieser Regelschleife ar­ beitet dazu ständig, beispielsweise als Unterbrechungsgesteu­ ertes (Interrupt) Hintergrundprogramm, im Hintergrund und hat die Funktion die Vorspannung (bzw. die Spannung U0), bei­ spielsweise nach einem der in der Fachwelt bekannten Gradien­ tenverfahren, solange zu verändern bis ein maximaler Emp­ fangspegel bei der betreffenden Frequenz eingestellt ist.
Die Veränderung der elektrisch wirksame Länge - und die ihr entsprechende Verschiebung der Resonanzfrequenz - der Antenne A durch die Spannung U0 erfolgt hierbei stufenlos.
Insgesamt ist es dadurch möglich die Antenne A stets auf ver­ änderte Umweltbedingungen so anzupassen, dass die Resonanz­ frequenz immer im gewünschten Frequenzband (z. B. GSM-900 DCS- 1800, Bluetooth usw.) liegt.
Um möglichst vielseitige Umwelteinflüsse erfassen zu können sollte die physikalische Länge der Antenne A für das zur Op­ timierung angenommene Anwendungsszenario des freien Raums bei einem Spannungswert des ersten Eingangssignals U0 gleich 0V optimiert werden.
Neben dem Weiterleiten des ersten Eingangssignals U0 an die Varaktordiode D erfüllt der dargestellte Widerstand R gemein­ sam mit dem Kondensator C die Funktion einer Entkopplungsein­ richtung, wobei der Widerstand R durch seinen hohen Wider­ standswert die Trennung der über die Antenne A laufenden Hochfrequenzsignale vom Gleichstromkreis gewährleistet und der Kondensator C, der beim Einsatz in einem Bluetooth- Funkmodul beispielsweise den Kapazitätswert 6,8 pF aufweist, zur Entkopplung der Gleichspannung vorgesehen ist.
Eine weitere Verbesserung lässt sich erzielen, wenn sich im Fall der "inverted-F-Antenne" A zusätzlich der erste (F- )Querleiter Q1 und der zweite (F-)Querleiter Q2 - analog zur Anordnung beim Antennenarm - durch jeweils eine in Sperrrich­ tung geschaltete Varaktordiode (Anode an Massefläche MASSE angeschlossen) "aufgetrennt" wird, so dass hierbei ebenfalls gesteuert durch eine Spannung (zweites Eingangssignal), die über eine entsprechende Schaltung an die Kathoden der Varak­ tordiode geschaltet wird, weitere Einstellmöglichkeiten ("Feintuning") der Resonanzfrequenz realisiert werden, da auf diese Weise der elektrische Abstand des Antennenarms zur Mas­ sefläche MASSE elektrisch verändert werden kann.
Als weitere Alternative ist es auch denkbar, das erste Ein­ gangssignal U0 auch als zweites Eingangssignal zu nutzen.

Claims (9)

1. Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung mit abstimmba­ rer Antenne (A), dadurch gekennzeichnet, dass
eine erste variable Kapazität (D) derart angeordnet ist, dass sie einen Antennenarm der Antenne (A) in einen ersten Teilbereich (T1) und einen zweiten Teilbereich (T2) teilt, wobei ein erster Anschluss der Kapazität mit dem ersten Teilbereich (T1) verbunden ist und ein zweiter Anschluss mit dem zweiten Teilbereich (T2) elektrisch leitend ver­ bunden ist,
eine Entkopplungseinrichtung (R, C) mit der variablen Ka­ pazität (D) derart elektrisch leitend verbunden und aus­ gestaltet ist, dass
  • a) Gleichspannungssignale (U0) und Hochfrequenzsignale ent­ koppelt werden,
  • b) aufgrund mindestens eines ersten Eingangssignals (U0) eine Einstellung des Kapazitätswertes der variablen Ka­ pazität (D) erfolgt,
eine Regelungseinrichtung (µP) derart ausgestaltet ist, dass aufgrund mindestens einer die Qualität eines durch das mobile Funksende-/Funkempfangsgerät empfangenen Sig­ nals angebenden Größe (RSSI), der Wert des ersten Ein­ gangssignals (U0) solange verändert wird, bis die Reso­ nanzfrequenz der Antenne (A) der aktuellen Sende- /Empfangsfrequenz zumindest annähernd entspricht.
2. Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Kapazi­ tät (D) als Varaktordiode ausgestaltet ist.
3. Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung nach dem An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkoppeleinrichtung (R, C) als ein Widerstand (R) und einer dazu in Reihe geschalteten Kapazität (c) ausgestal­ tet ist.
4. Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne als "inverted F-Antenne" ausgestaltet ist.
5. Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung nach dem An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
für jeden Antennenzweig (Q1, Q2), der einen elektrischen Abstand zu einem Massepotential (MASSE) bestimmt eine va­ riable Kapazität angeordnet ist,
die variablen Kapazitäten der Antennenzweige (Q1, Q2) mit zumindest einer Entkopplungseinrichtung verbunden sind, wobei
  • a) Gleichspannungssignale (U0) und Hochfrequenzsignale ent­ koppelt werden,
  • b) aufgrund mindestens eines zweiten Eingangssignals (U0) eine Einstellung des Kapazitätswertes der variablen Ka­ pazitäten der Antennenzweige (Q1, Q) erfolgt,
die Regelungseinrichtung (µP) derart ausgestaltet ist, dass aufgrund mindestens des die Qualität des durch das mobile Funksende-/Funkempfangsgerät empfangenen Signals angebenden Größe (RSSI), der Wert des zweiten Eingangssig­ nals solange verändert wird, bis die Resonanzfrequenz der Antenne (A) der aktuellen Sende-/Empfangsfrequenz zumin­ dest annähernd entspricht.
6. Mobile Funksende-/Funkempfangseinrichtung nach dem An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt zwischen den Antennenzweigen (Q1, Q2) des erste Teilbe­ reichs (T1) eine variable Kapazität angeordnet ist.
7. Verfahren zur Steuerung einer abstimmbaren Antenne (A), insbesondere einer Antenne (A) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein erstes Eingangssignal (U0) eine variable Kapazität (D) derart ansteuert, dass die elektrisch wirksame Länge der Antenne (A) verändert wird,
aufgrund mindestens einer die Qualität eines durch das mo­ bile Funksende-/Funkempfangsgerät empfangenen Signals an­ gebenden Größe (RSSI), der Wert eines ersten Eingangssig­ nals (U0) solange verändert wird bis die Resonanzfrequenz der Antenne (A) der aktuellen Sende-/Empfangsfrequenz zu­ mindest annähernd entspricht.
8. Verfahren zur Steuerung einer abstimmbaren Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweites Eingangssignal mindestens eine weitere variab­ le Kapazität derart ansteuert, dass der elektrisch wirksa­ me Abstand von der Antenne (A) zu einem Massepotential (MASSE) verändert wird,
aufgrund mindestens des die Qualität des durch das mobile Funksende-/Funkempfangsgerät empfangenen Signals angeben­ den Größe (RSSI), der Wert des zweiten Eingangssignals so­ lange verändert wird bis die Resonanzfrequenz der Antenne (A) der aktuellen Sende-/Empfangsfrequenz zumindest annä­ hernd entspricht.
9. Verfahren zur Steuerung einer abstimmbaren Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ein­ gangssignal dem ersten Eingangssignal (U0) gleichgesetzt wird.
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