DE102011004622A1

DE102011004622A1 - Kapazitive Sensoreinrichtung und Funkgerät mit kapazitiver Sensoreinrichtung sowie Verfahren zum Einstellen einer Sendeleistung eines Funkgerätes

Info

Publication number: DE102011004622A1
Application number: DE102011004622A
Authority: DE
Inventors: Dr. Erkens Holger
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: US20140155000A1; CN103443999A; EP2678899A1; TWI576595B; EP2678899B1; TW201235671A; KR101907640B1; WO2012113754A1; US9247504B2; DE102011004622B4; KR20140074867A

Abstract

ung für ein Funkgerät, insbesondere zur Abschätzung einer spezifischen Absorptionsrate (SAR) des Funkgerätes, wobei die Sensoreinrichtung mit zumindest einer ersten Elektrode koppelbar ist, und wobei im Betrieb des Funkgerätes die erste Elektrode gleichzeitig eine Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung und eine Antenne des Funkgerätes ist. Des Weiteren wird eine Funkgerät mit einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung bereit gestellt. Ferner wird eine Verfahren zum Einstellen einer Sendeleistung eines Funkgerätes bereit gestellt, wobei eine Annäherung eines Objektes an das Funkgerät detektiert und wobei in Abhängigkeit der detektierten Annäherung die Sendeleistung des Funkgerätes erhöht oder reduziert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoreinrichtung für ein Funkgerät sowie ein Funkgerät, welches eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine kapazitive Sensoreinrichtung für ein Funkgerät zur Abschätzung einer spezifischen Absorptionsrate (SAR) des Funkgerätes. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen einer Sendeleistung eines Funkgerätes, welches vorzugsweise eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist, um die Absorption von elektromagnetischen Feldern insbesondere in biologischem Gewebe zu minimieren.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Die spezifische Absorptionsrate SAR ist ein Maß für die Absorption von elektromagnetischen Feldern insbesondere in biologischem Gewebe. Die spezifische Absorptionsrate SAR ist ferner ein wichtiger Indikator über die Abstrahlung eines hochfrequenten Sendesignals von einem Funksystem, etwa ein Funkgerät, und dessen Einkoppelung in den menschlichen Körper. Die Einkoppelung des hochfrequenten Sendesignals in den menschlichen Körper stellt einen Risikofaktor bei der Benutzung von Funkgeräten, etwa Mobiltelefonen dar, weil die Absorption der elektromagnetischen Feldenergie jedenfalls zu einer Erwärmung des Gewebes führt, was zu Veränderungen im Gewebe führen kann, welche die Ursache für Krebserkrankungen sein können.
Es besteht daher das Bedürfnis, die Sendeleistung von Funkgeräten, insbesondere wenn sie sich in der Näher des menschlichen Körpers befinden, möglichst gering zu halten, um so die Strahlenbelastung für den Körper zu reduzieren. Eine Aussage über die Einkoppelung der hochfrequenten Sendesignale in den menschlichen Körper könnte herangezogen werden, um die Sendeleistung des Funkgerätes entsprechend anzupassen.
Zwei verschiedene Faktoren haben wesentlichen Einfluss auf die spezifische Absorptionsrate SAR eines Funkgeräts, nämlich

Faktor 1: die tatsächlich an dem Funkgerät abgestrahlte Sendeleistung (HF-Sendeleistung), und
Faktor 2: die Nähe der Antenne bzw. Antennen zum menschlichen Körper.

Um die spezifische Absorptionsrate SAR möglichst genau bestimmen bzw. abschätzen zu können, ist es vorteilhaft, beide Faktoren zu detektieren bzw. zu bewerten. D. h., dass vorteilhafterweise sowohl die tatsächlich abgestrahlte HF-Sendeleistung als auch die Nähe der Antenne(n) zum Körper bei der Bestimmung bzw. Abschätzung der spezifischen Absorptionsrate SAR berücksichtigt werden. Werden beide Faktoren berücksichtigt, ist eine gute Approximation der Leistungseinkoppelung an die tatsächliche Leistungseinkoppelung in den menschlichen Körper möglich.
Wird allerdings nur einer der beiden Faktoren berücksichtigt, so muss für den jeweils anderen Faktor der schlechteste Fall (worst case) angenommen werden, um die Strahlenbelastung für den Körper möglichst gering zu halten. Dies hat allerdings den Nachteil hat, dass die Sendeleistung über das notwendige Maß hinaus reduziert werden muss, was sich wiederum negativ auf die Sendeeigenschaften des Funksystems bzw. Funkgerätes auswirkt.
Für die Detektion der tatsächlich an einer Antenne eines Funkgerätes abgestrahlten HF-Leistung und für die Detektion des Abstandes eines menschlichen Körpers zum Funkgerät bzw. zur Antenne des Funkgerätes sind aus dem Stand der Technik jeweils Lösungen bekannt. Eine Lösung zur Detektion der abgestrahlten HF-Leistung ist mit Bezug auf 1 gezeigt. 2 zeigt eine Lösung zur Detektion des Abstandes eines menschlichen Körpers zu einer Antenne eines Funkgerätes.
1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansatz zur Detektion der tatsächlich an einer Antenne abgestrahlten HF-Sendeleistung. Ein HF-Transmitter, welcher hier aus einem Signalgenerator zum Erzeugen eines HF-Trägersignals, einer Signalerzeugung, von welchem die zu sendenden Sendeinformationen bereitgestellt werden, und einem Mischer besteht, erzeugt ein moduliertes HF-Sendesignal, welches einem Leistungsverstärker PA zugeführt wird. Mit dem Leistungsverstärker PA wird das HF-Sendesignal auf Sendepegel gebracht. Das Verstärkersignal wird dann über einen Zirkulator und einen Antennenschalter der Antenne A zugeführt, wo es schließlich abgestrahlt wird.
Der Zirkulator selbst ist für den Regelbetrieb nicht notwendig. Der Zirkulator ist hier vorgesehen, um im Regelbetrieb eine SAR-Abschätzung des an der Antenne abgestrahlten Signals zu ermöglichen.
Mit dem Zirkulator werden die von der Antenne A rücklaufenden Wellen auf einen Demodulator umgeleitet, sodass die rücklaufenden Wellen nicht am Leistungsverstärker PA erscheinen. Der Leistungsverstärker PA ist stets gut angepasst und gibt seine Nennleistung ab, sodass die Nennleistung als konstant angenommen werden kann. Dadurch ist es möglich allein aus der sich ändernden Leistung der rücklaufenden Welle eine Aussage über die tatsächlich an der Antenne A abgestrahlte Leistung zu treffen. Der Demodulator selbst erfüllt hier die Funktion eines Gleichrichters, weil lediglich ein Maß für die Leistung, nicht aber für die Sendeinformation selbst benötigt wird. Der Demodulator ist mit einer SAR-Auswerteeinheit gekoppelt und kann aus einem Gleichspannungsverstärker und einem Analog-/Digitalwandler oder einem einfachen Komparator bestehen. Die genaue Ausgestaltung der SAR-Auswerteeinheit hängt im Wesentlichen davon ab, wie genau die SAR-Abschätzung zu erfolgen hat bzw. benötigt wird.
Der in 1 gezeigte Lösungsansatz zur Detektion der tatsächlich an der Antenne abgestrahlten HF-Sendeleistung eignet sich insbesondere für Systeme mit konstanter Einhüllender, wie etwa GMSK-/GFSK-Systeme (GSM/DECT). Mit diesem Lösungsansatz wird vor allem die direkte Korrelation der SAR-Abschätzung mit dem HF-Sendesignal in vorteilhafter Weise ausgenutzt, weil die tatsächlich abgestrahlte Leistung genau dort detektiert wird, wo das Sendesignal die Koppelung zum menschlichen Körper herstellt, nämlich an der Antenne.
2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansatz zur Detektion eines Objektes bzw. menschlichen Körpers in der Nähe des Funkgerätes. Zur Detektion eines Abstandes bzw. einer Annäherung eines Objektes bzw. menschlichen Körpers an ein Funkgerät ist hier ein kapazitiver Sensor vorgesehen, welcher nach einem sogenannten Loading-Verfahren arbeitet. Bei einem nach dem Loading-Verfahren arbeitenden kapazitiven Sensor wird eine Sensorelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal eines Generators G1 beaufschlagt. Über einen Empfänger E1 (bzw. Empfangspfad E1) kann eine Auswerteeinrichtung die kapazitive Belastung des erzeugten Signals detektieren und auswerten. Die Auswerteinrichtung kann hier Bestandteil einer SAR-Auswerteeinheit sein.
Im Allgemeinen gilt, je kleiner der Abstand der Elektrode zu dem Objekt bzw. zu dem menschlichen Körper ist, desto größer ist die detektierbare kapazitive Belastung. Nachteilig ist allerdings, dass für eine ausreichend gute Korrelation zwischen dem Antennensignal und dem Sensorergebnis des kapazitiven Sensors die Elektrode eng benachbart zur Antenne angeordnet sein muss. Durch die Nähe der Sensorelektrode zur Antenne wird die Anpassung der Antenne reduziert, sodass sich schlechtere Sende-/Empfangseigenschaften für das Funkgerät ergeben. Um die Sende-/Empfangseigenschaften des Funksystems durch die Sensorelektrode nicht wesentlich zu beeinflussen, ist es daher notwendig, dass die Sensorelektrode in einem gewissen Abstand zur Antenne angeordnet wird. Dadurch kann allerdings eine Korrelation zwischen dem Antennensignal und dem Sensorergebnis des kapazitiven Sensors nicht in jedem Fall gewährleistet werden. Um dennoch sicherzustellen, dass die Strahlenbelastung für den menschlichen Körper ein vorbestimmtes Maß nicht überschreitet, ist es daher notwendig, die Sendeleistung des Funkgerätes über ein notwendiges Maß hinaus zu reduzieren.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Lösungen bereitzustellen, welche es erlauben, auf einfache und effiziente Weise eine Aussage über die spezifische Absorptionsrate SAR eines Funkgerätes zu treffen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeiden und welche es insbesondere erlauben, die Sendeleistung eines Funkgerätes nicht über ein notwendiges Maß hinaus reduzieren zu müssen, wobei gleichzeitig gewährleistet ist, dass die Strahlenbelastung für den menschlichen Körper durch das Funkgerät ein vorbestimmtes Maß nicht überschreitet.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein Funkgerät, mit einem Funkgerät, welches eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist, und ein Verfahren zum Einstellen einer Sendeleistung eines Funkgerätes nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine kapazitive Sensoreinrichtung für ein Funkgerät, insbesondere zur Abschätzung einer spezifischen Absorptionsrate des Funkgerätes, wobei die Sensoreinrichtung mit zumindest einer ersten Elektrode koppelbar ist, und wobei im Betrieb des Funkgerätes die erste Elektrode gleichzeitig eine Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung und eine Antenne des Funkgerätes ist.
Damit kann mit der kapazitiven Sensoreinrichtung in vorteilhafter Weise der Abstand der Antenne zu einem sich annähernden Objekt, etwa ein menschlicher Körper bestimmt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die erste Elektrode

– über ein Hochpassfilter mit einer Transceiver-Schaltung des Funkgerätes, und
– über ein Tiefpassfilter mit der Sensoreinrichtung

Die Sensoreinrichtung kann zusätzlich eine zweite Elektrode aufweisen, welche in eine kapazitive Koppelung mit der ersten Elektrode bringbar ist, wobei eine der beiden Elektroden als Sendeelektrode und die jeweils andere Elektrode als Empfängerelektrode betreibbar sind, und wobei die Sendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Weil eine der beiden Sensorelektroden gleichzeitig als Antenne verwendet wird, kann auch bei Mehrelektrodensystemen (kapazitive Sensoreinrichtung mit mehreren Sensorelektroden) in vorteilhafter Weise der Abstand der Antenne zu einem sich annähernden Objekt, etwa ein menschlicher Körper bestimmt werden.
Die erste Elektrode kann als Sendeelektrode betrieben werden, wobei die erste Elektrode über das Tiefpassfilter mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Die Sensoreinrichtung kann eine zusätzlich eine dritte Elektrode aufweisen, welche im Wesentlichen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist und welche mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, welches im Wesentlichen invers zu dem an der Sendeelektrode beaufschlagten elektrischen Wechselsignal ist.
Das Tiefpassfilter kann eine Mikrostreifenleitung umfassen.
Eine Auswerte-Schaltung der Sensoreinrichtung kann ausgestaltet sein, eine Annäherung eines Objektes an die Elektroden der Sensoreinrichtung und/oder einen Abstand eines Objektes zu den Elektroden der Sensoreinrichtung zu detektieren.
Das Funkgerät kann eine Detektionseinrichtung zur Detektion der an der Antenne abgestrahlten HF-Sendeleistung aufweisen, wobei die detektierte HF-Sendeleistung zusammen mit der detektierten Annäherung an die Elektroden der Sensoreinrichtung in die Abschätzung der spezifischen Absorptionsrate des Funkgerätes einfließt.
Des Weiteren wird durch die Erfindung ein Funkgerät bereit gestellt, welches zumindest eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist, wobei zumindest eine Antenne des Funkgerätes mit der zumindest einen kapazitiven Sensoreinrichtung koppelbar ist und wobei im Betrieb des Funkgerätes die zumindest eine Antenne gleichzeitig als Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung und als HF-Antenne des Funkgerätes betreibbar ist.
Das Funkgerät ist zumindest eines aus Mobilfunkgerät, Mobiltelefon, Schnurlostelefon, WLAN-Gerät, Kleincomputer, und Tablet-PC.
Die Antenne des Funkgerätes kann durch ein MIMO-Antennensystem gebildet werden.
Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen einer Sendeleistung eines Funkgerätes bereit gestellt, wobei

– eine Annäherung eines Objektes an das Funkgerät, vorzugsweise an eine Antenne des Funkgerätes und/oder ein Abstand eines Objektes zu dem Funkgerät, vorzugsweise zu einer Antenne des Funkgerätes, detektiert wird und ein Detektionsergebnis bereitgestellt wird,
– eine spezifische Absorptionsrate des Funkgerätes geschätzt wird, wobei in die Schätzung der SAR das Detektionsergebnis einfließt, und
– in Abhängigkeit der Schätzung die Sendeleistung des Funkgerätes erhöht oder reduziert wird.

Zur Detektion der Annäherung und/oder des Abstandes kann eine kapazitive Sensoreinrichtung verwendet werden, wobei eine Antenne des Funkgerätes gleichzeitig als Antenne und als Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung betrieben wird, und wobei die Antenne über ein Tiefpassfilter mit der kapazitiven Sensoreinrichtung gekoppelt wird.
Die an der Antenne abgestrahlte HF-Sendeleistung kann detektiert werden und die detektierte HF-Sendeleistung kann in die Schätzung der SAR mit einfließen.
Die Antenne kann mit einem elektrischen Wechselsignal der kapazitiven Sensoreinrichtung beaufschlagt werden, wobei die kapazitive Belastung des Wechselsignals detektiert wird und wobei die kapazitive Belastung ein Maß für die Annäherung und/oder für den Abstand ist.
Vorzugsweise wird eine zweite Elektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung in eine kapazitive Koppelung mit der Antenne des Funkgerätes gebracht, wobei entweder die zweite Elektrode oder die Antenne als Sendeelektrode betrieben wird und wobei die Sendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal der kapazitiven Sensoreinrichtung beaufschlagt wird, wobei an der jeweils anderen Einheit – Antenne oder Elektrode – die kapazitive Koppelung zwischen der Antenne und der zweiten Elektrode detektiert wird, und wobei die detektierte kapazitive Koppelung ein Maß für die Annäherung und/oder für den Abstand ist.
Als Tiefpassfilter kann eine Mikrostreifenleitung verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sowie konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansatz zur Detektion einer tatsächlich an einer Antenne abgestrahlten HF-Sendeleistung;
2 einen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansatz zur Detektion eines Objektes bzw. menschlichen Körpers, insbesondere in der Nähe eines Funkgerätes;
3 ein schematisches Blockschaltbild eines Funkgerätes mit einer Antenne, einer kapazitiven Sensoreinrichtung und einem Transceiver gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung, welche nach einem Loading-Verfahren betrieben werden kann;
5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung, welche nach einem Transmissions-Verfahren betrieben werden kann;
6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors, welcher zusätzlich eine Kompensationselektrode aufweist;
7 einen erfindungsgemäßen differenziellen kapazitiven Sensor, wobei eine Sensorelektrode durch eine Antenne eines Funkgerätes gebildet wird; und
8 Beispiele für eine mögliche Elektrodenanordnung an einem Funkgerät für die in 4 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiele.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Hilfe eines kapazitiven Sensors bzw. einer kapazitiven Sensoreinrichtung kann der Abstand eines Objektes, etwa eines menschlichen Körpers zu den Sensorelektroden des kapazitiven Sensors bzw. eine Annäherung eines Objektes, etwa eines menschlichen Körpers an die Elektroden des kapazitiven Sensors detektiert werden. In Abhängigkeit des detektierten Abstandes bzw. der detektierten Annäherung kann eine Abschätzung über die in den Menschen eingekoppelte Leistung des an einer Antenne eines Funkgerätes abgestrahlten hochfrequenten Sendesignals vorgenommen werden, sodass auch eine Abschätzung über die spezifische Absorptionsrate SAR möglich ist. Aufgrund dieser Abschätzung kann die Sendeleistung bzw. HF-Sendeleistung des Funkgerätes angepasst werden. Durch die Anpassung der Sendeleistung kann die Belastung bzw. Strahlenbelastung für den menschlichen Körper reduziert werden.
Eine möglichst genaue Abschätzung der spezifischen Absorptionsrate SAR auf Basis des detektierten Abstandes bzw. der detektierten Annäherung ist allerdings nur dann möglich, wenn nicht der Abstand bzw. die Annäherung an eine benachbart zur Antenne eines Funkgerätes angeordnete Sensorelektrode in die SAR-Schätzung einfließt, sondern der Abstand der Antenne zum Objekt bzw. die Annäherung des Objektes an die Antenne bei der SAR-Abschätzung berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem eine Elektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung gleichzeitig eine Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung und eine Antenne des Funkgerätes ist. ”Gleichzeitig” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Elektrode zumindest während einer SAR-Abschätzung sowohl als Antenne des Funkgerätes als auch als Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung betrieben wird. D. h., dass zumindest während einer SAR-Abschätzung eine Abstands- bzw. Annäherungsdetektion mit der kapazitiven Sensoreinrichtung möglich ist, während parallel zur Abstands- bzw. Annäherungsdetektion ein HF-Sendesignal an der Sensorelektrode bzw. Antenne abgestrahlt wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine bereits in einem Funkgerät vorhandene Antenne als Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung verwendet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der tatsächliche Abstand eines Objektes, etwa eines menschlichen Körpers zur Antenne des Funkgerätes bestimmt werden kann, was eine verbesserte Anpassung der Sendeleistung des Funkgerätes ermöglicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine eigene für die Annäherungs- bzw. Abstandsdetektion notwendige Sensorelektrode bereitgestellt werden muss.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Funkgerätes mit einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung.
Das Funkgerät kann eine Speicher-/Verarbeitungseinrichtung aufweisen. Die Speichereinrichtung kann beispielsweise einen Festplattenspeicher, nicht flüchtige Speichereinrichtungen (z. B. Flash-Speicher) oder flüchtige Speichereinrichtungen (z. B. DRAM) umfassen. Die Verarbeitungseinrichtung kann etwa für den Betrieb des Funkgerätes vorgesehen sein und kann eine Prozessoreinheit, etwa einen Mikroprozessor oder weitere entsprechend angepasste integrierte Schaltkreise umfassen. Die Verarbeitungseinrichtung kann angepasst sein, Software auf dem Funkgerät zur Ausführung zu bringen. Die Software kann beispielsweise eine Internetbrowser-Anwendung, eine Voice-Over-IP-Anwendung (VOIP), eine E-Mail-Anwendung, Betriebssystemfunktionen, Steuerfunktionen für die Steuerung eines HF-Leistungsverstärkers und/oder weiterer HF-Transceiver-Einrichtungen des Funkgerätes, und dergleichen umfassen.
Die Speicher-/Verarbeitungseinrichtung kann insbesondere angepasst sein, um Kommunikationsprotokolle zu implementieren. Die Kommunikationsprotokolle können beispielsweise Internetprotokolle, Mobiltelefonprotokolle, W-LAN-Protokolle (etwa das IEEE 802.11-Protokoll), oder Protokolle für kurzreichweitige kabellose Kommunikationsverbindungen, wie etwa das Bluetooth-Protokoll umfassen.
Das Funkgerät kann ferner I/O-Devices umfassen. Die I/O-Devices können etwa Touchscreens oder andere Benutzerschnittstellen umfassen.
Das Funkgerät weist ferner eine Transceiver-Schaltung 30 auf, welche beispielsweise einen HF-Transceiver für ein Mobiltelefon, für eine W-LAN-Schnittstelle oder eine Bluetooth-Schnittstelle umfassen kann.
Der Transceiver 30 ist mit einer Antenne A (oder mit mehreren Antennen) gekoppelt, welche sowohl als Sendeantenne als auch als Empfangsantenne dienen kann. Das von dem Transceiver 30 bereitgestellte modulierte HF-Sendesignal wird der Antenne A zugeführt, von welcher es abgestrahlt wird.
Ferner weist das Funkgerät eine kapazitive Sensoreinrichtung 40 auf, welche ebenfalls mit der Antenne A (oder mit den mehreren Antennen) gekoppelt ist. Die Antenne A übernimmt für die kapazitive Sensoreinrichtung 40 die Funktion einer Sensorelektrode, während die Antenne A für den Transceiver die ihr ursprünglich zugedachte Funktion einer Sendeantenne und/oder einer Empfangsantenne übernimmt. Das bedeutet, dass die Antenne A gleichzeitig als Sensorelektrode für die kapazitive Sensoreinrichtung 40 und als Antenne für den Transceiver 30 verwendet wird.
Als Antenne A kann jeder für ein Funkgerät geeigneter Antennentyp vorgesehen sein. Beispielsweise können Antennen vom Typ PIFA (Planar Inverted-F (shaped) Antenna) verwendet werden.
Für weitere Ausgestaltungen der kapazitiven Sensoreinrichtung (wie mit Bezug auf 5 bis 7 beschrieben) können weitere Elektroden EL vorgesehen sein. Auch beim Vorsehen weiterer Sensorelektroden wird zumindest eine Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung 40 durch die Antenne des Funkgerätes gebildet, sodass auch bei den mit Bezug auf 5 bis 7 beschriebenen Ausgestaltungen der tatsächliche Abstand eines Objektes zur Antenne bzw. eine Annäherung eines Objektes an die Antenne detektiert werden kann. Ferner hat die mit Bezug auf 5 bis 7 beschriebene Ausgestaltung des kapazitiven Sensors den Vorteil, dass die Anzahl der Sensorelektroden verringert wird, weil ja zumindest eine Sensorelektrode durch die Antenne des Funkgerätes gebildet wird.
Des Weiteren kann das Funkgerät eine in 3 nicht gezeigte Einrichtung zur Steuerung der Sendeleistung des an der Antenne A abgestrahlten HF-Sendesignals umfassen. Diese Steuereinrichtung kann basierend auf den Detektionsergebnissen der kapazitiven Sensoreinrichtung und/oder basierend auf der tatsächlich an der Antenne abgestrahlten HF-Sendeleistung eine SAR-Abschätzung vornehmen und basierend auf dem Ergebnis der SAR-Abschätzung die Sendeleistung der Antenne entsprechend einstellen.
Des Weiteren kann das Funkgerät mehrere Antennen aufweisen, wobei jede Antenne jeweils als Sende- und/oder Empfangsantenne verwendet werden kann. Die mehreren Antennen können beispielsweise als MIMO-System (Multiple Input Multiple Output) betrieben werden können.
Erfindungsgemäß kann jede Antenne des Funkgerätes als Sensorelektrode einer der jeweiligen Antenne zugeordneten kapazitiven Sensoreinrichtung verwendet werden. Alternativ kann jede Antenne des Funkgerätes als Sensorelektrode für eine ausgewählte kapazitive Sensoreinrichtung verwendet werden. Im letzteren Fall können die Antennen beispielsweise in einem Zeitmultiplex-Verfahren mit der kapazitiven Sensoreinrichtung gekoppelt werden. Erfindungsgemäß kann so der Abstand eines Objektes, etwa eines menschlichen Körpers zu jeder einzelnen Antenne detektiert werden, sodass für jede Antenne eine eigene SAR-Abschätzung vorgenommen werden kann. Auch bei mehreren Antennen kann bei der jeweiligen SAR-Abschätzung auch die an der jeweiligen Antenne tatsächlich abgestrahlte HF-Sendeleistung berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß kann dann jene Antenne als Sendeantenne des Funkgerätes aktiviert werden, für welche der niedrigste SAR-Wert geschätzt wurde.
Nachfolgend werden mit Bezug auf 4 bis 7 vier erfindungsgemäße Prinzipien einer kapazitiven Sensoreinrichtung beschrieben, wobei in 4 eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung nach dem Loading-Prinzip, in 5 eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung nach dem Transmissions-Prinzip, in 6 eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung mit einer dritten Elektrode, der sogenannten Kompensationselektrode, und in 7 ein erfindungsgemäßer differenzieller kapazitiver Sensor gezeigt sind.
4 zeigt eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung für ein Funkgerät zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an die Elektroden der Sensoreinrichtung und/oder zur Detektion eines Abstandes eines Objektes zu den Elektroden der Sensoreinrichtung. Wesentlich ist hierbei, dass die Antenne A gleichzeitig als Sensorelektrode EL1 der kapazitiven Sensoreinrichtung verwendet wird. Bei dem in 4 gezeigten nach dem Loading-Verfahren arbeitenden kapazitiven Sensor wird die kapazitive Belastung eines Knotens in einem elektrischen Netzwerk, an dem die Sensorelektrode EL1 bzw. die Antenne A angeschlossen ist, gemessen. Die Kapazität der Elektrode EL1 bzw. der Antenne A und damit die kapazitive Belastung des Knotens in dem elektrischen Netzwerk verändern sich durch die Annäherung eines Objektes, etwa eines menschlichen Körpers. Die kapazitive Belastung des Knotens ist daher ein Maß für die Annäherung des Körpers an die Elektrode EL1 bzw. für den Abstand des Körpers zur Elektrode EL1.
Bei der in 4 gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors sowie bei den in 5 bis 7 gezeigten erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoren sind einerseits die kapazitive Sensoreinrichtung an die als Sensorelektrode EL1 fungierende Antenne A und andererseits die Transceiver-Schaltung (HF-Transceiver) an die Antenne anzuschließen. Die im Folgenden beschriebene Ankoppelung der Antenne A an den HF-Transceiver und an die kapazitive Sensoreinrichtung gilt entsprechend auch für die in Bezug auf 5 bis 7 beschriebenen erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtungen.
Die HF-Transceiver-Schaltung ist über eine Koppelung C an die Antenne A angeschlossen. Die Koppelung C wirkt hier als reiner HF-Durchlass (Hochpassfilter). Hinter der Koppelung C teilt sich der HF-Pfad in einen Sendepfad und einen Empfangspfad, welche über einen Antennenschalter S1 mit der Antenne bzw. mit dem Hochpassfilter verbunden sind. Der Antennenschalter S1 kann beispielsweise als Frequenz-Multiplexer ausgestaltet sein.
Über eine Koppelung L bzw. TL wird die kapazitive Sensoreinrichtung an die Antenne A bzw. Sensorelektrode EL1 angeschlossen. Die Koppelung L bzw. TL wirkt hier als LF-Durchlass (Tiefpassfilter). Die Koppelung kann etwa mit Hilfe einer Spule L oder einer Mikrostreifenleitung TL implementiert werden. Vorzugsweise ist die Mikrostreifenleitung sehr schmal ausgelegt, was keine Nachteile für die Sensorfunktion der kapazitiven Sensoreinrichtung hat. Eine sehr schmale Mikrostreifenleitung weist einen hohen Wellenwiderstand auf. Eine solche Leitung mit hohem Wellenwiderstand und die der Mikrostreifenleitung nachfolgende kapazitive Sensoreinrichtung haben auf die HF-Schaltung bzw. auf den HF-Transceiver nur einen geringen Einfluss, weil HF-Schaltungen bzw. HF-Transceiver ausschließlich auf niedrige Wellenwiderstände (etwa 50 Ω) ausgelegt werden.
Eine Mikrowellenleitung hat gegenüber einer Spule den Vorteil, dass sie gedruckt auf der Platine vorhanden ist. Anschaffungs- und Montagekosten für eine Spule können so vermieden werden. Allerdings ist für die Mikrostreifenleitung eine bestimmte Mindestlänge erforderlich, um eine gute Entkoppelung des kapazitiven Sensors von der HF-Schaltung zu erzielen bzw. zu gewährleisten.
Welche Variante der Koppelung der kapazitiven Sensoreinrichtung an die Antenne A bzw. Elektrode EL1 gewählt wird, hängt letztlich von den konkreten Anforderungen an das Funksystem bzw. an das Funkgerät ab.
Das Hochpassfilter zwischen Antenne und HF-Transceiver sorgt dafür, dass die niederfrequenten Wechselsignale der kapazitiven Sensoreinrichtung den HF-Transceiver nicht negativ beeinflussen, während das Tiefpassfilter zwischen Antenne A und der kapazitiven Sensoreinrichtung dafür sorgt, dass die hochfrequenten Signale des HF-Transceivers die kapazitive Sensoreinrichtung nicht negativ beeinflussen.
Nach der in 4 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung wird durch einen Signalgenerator G1 ein elektrisches Wechselsignal (sinus- oder rechteckförmig) erzeugt, welches über das Tiefpassfilter der Antenne A bzw. Sensorelektrode EL beaufschlagt wird. Die Antenne A bzw. Sensorelektrode EL1 koppelt über eine Ersatzkapazität C_SK mit dem menschlichen Körper, welcher wiederum über eine Ersatzkapazität C_KE mit dem umgebenden Erdpotenzial verbunden ist. Die Sensormasse ist ebenfalls über eine Ersatzkapazität C_ME mit Erde verbunden.
Nähert sich nun ein Körper der Antenne an, vergrößert sich die Gesamtkapazität der in Serie geschalteten Ersatzkapazitäten, was zu einer zunehmenden kapazitiven Belastung des Generatorsignals führt. Diese Belastung kann in dem Empfängerpfad E1 der kapazitiven Sensoreinrichtung detektiert und einer nachfolgenden SAR-Auswerteeinheit zugeführt werden, welche eine SAR-Abschätzung aufgrund der detektierten kapazitiven Belastung vornehmen kann. Weil die detektierte kapazitive Belastung im Wesentlichen dem Abstand des menschlichen Körpers zur Antenne A des Funkgerätes entspricht, kann eine SAR-Abschätzung vorgenommen werden, in welche der tatsächliche Abstand des menschlichen Körpers zur Antenne A einfließt.
Der SAR-Auswerteeinrichtung kann auch eine Information über die tatsächlich an der Antenne abgestrahlte Leistung zugeführt werden. Diese Information kann beispielsweise mit einer Detektionseinrichtung gemäß 1 gewonnen werden. Für die SAR-Abschätzung kann dann sowohl der tatsächliche Abstand des menschlichen Körpers zur Antenne A als auch die tatsächlich an der Antenne A abgestrahlte Sendeleistung berücksichtigt werden. Damit ist eine besonders genaue SAR-Abschätzung möglich, sodass die Sendeleistung des Funkgerätes noch besser angepasst werden kann (insbesondere erhöht werden kann) ohne dass dadurch die Strahlenbelastung für den menschlichen Körper ein vorbestimmtes Maß überschreitet.
5 zeigt eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung für ein Funkgerät, welche nach dem sogenannten Transmissions-Verfahren arbeitet. Die nach dem Transmissions-Verfahren arbeitende kapazitive Sensoreinrichtung misst die Übertragung zwischen einer Sendeelektrode EL1 und einer Empfangselektrode EL2. Die Antenne A des Funkgerätes übernimmt dabei entweder die Funktion der Sendeelektrode oder der Empfangselektrode. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Antenne A gleichzeitig als Sendeelektrode EL1 der kapazitiven Sensoreinrichtung. Ferner ist eine weitere dedizierte Elektrode EL2 vorgesehen, welche die Funktion einer Empfangselektrode übernimmt. Ob die Antenne A als Sendeelektrode oder als Empfangselektrode verwendet wird, hängt letztlich von den konkreten Anforderungen an das Funkgerät bzw. an die Antenne A des Funkgerätes ab.
Der Signalgenerator G1 ist, wie mit Bezug auf 4 erläutert, über ein Tiefpassfilter mit der Antenne A bzw. Sendeelektrode EL1 gekoppelt. Die SAR-Auswerteeinrichtung ist hingegen mit der Empfangselektrode EL2 gekoppelt.
Wird die Antenne A als Empfangselektrode verwendet, ist die SAR-Auswerteeinrichtung über das Tiefpassfilter mit der Antenne A zu koppeln, beispielsweise wie aus 4 ersichtlich. Der Signalgenerator G1 kann dann direkt an die als Sendeelektrode betriebene Elektrode EL2 angeschlossen werden.
Auch bei der in 5 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung wird der Transceiver (HF-Transceiver) des Funkgerätes über ein Hochpassfilter an die Antenne A angeschlossen. Das Hochpassfilter und das Tiefpassfilter übernehmen hierbei die Funktion, wie bereits mit Bezug auf 4 beschrieben.
Vom Signalgenerator G1 wird ein elektrisches Wechselsignal erzeugt und der Sendeelektrode EL1 bzw. der Antenne A beaufschlagt. Das elektrische Wechselsignal wird über den direkten Koppelpfad C_SE zwischen der Elektrode EL1 und der Empfängerelektrode EL2 bzw. über den vom menschlichen Körper gebildeten Koppelpfad C_SK, C_KE von der Sendeelektrode EL1 zur Empfangselektrode EL2 übertragen. Das an die Empfangselektrode EL2 übertragene elektrische Wechselsignal wird dem der Empfangselektrode EL2 zugeordneten Empfänger E1 zugeführt und einer nachgeschalteten SAR-Auswerteeinrichtung übertragen.
Bei Annäherung eines Körpers an die Elektroden EL1, EL2 der kapazitiven Sensoreinrichtung wird die kapazitive Koppelung zwischen den Elektroden über den Körper (C_SK, C_KE) größer, während die Grundkoppelung über C_SE reduziert wird. Bei der Auswertung des an der Empfangselektrode EL2 abgegriffenen elektrischen Signals ist relevant, welcher Koppelpfad zwischen der Elektrode EL1 und der Elektrode EL2 dominant ist. D. h., das Ergebnis der Signalauswertung des an der Empfangselektrode EL2 abgegriffenen elektrischen Signals hängt im Wesentlichen davon ab, ob der Koppelpfad C_SE oder der Koppelpfad C_SK, C_KE dominiert.
Welcher der beiden Koppelpfade dominant ist, hängt im Wesentlichen von der Geometrie und der Anordnung der Elektroden relativ zueinander ab. Weisen die Elektroden eine große Elektrodenfläche auf und ist der Abstand der Elektroden relativ zueinander groß, wird bei einer Annäherung eines menschlichen Körpers an die Elektroden EL1, EL2 ein Signalanstieg des an der Empfangselektrode EL2 abgegriffenen elektrischen Signals detektiert. Weisen die Elektroden eine kleine Elektrodenfläche auf und ist der Abstand der Elektroden relativ zueinander klein, wird bei einer Annäherung eines menschlichen Körpers an die Elektroden EL1, EL2 eine Reduktion des an der Empfangselektrode EL2 abgegriffenen elektrischen Signals detektiert.
Vorzugsweise ist eine Elektrode EL2 mit einer großen Elektrodenfläche auszuwählen und in einem großen Abstand zur Antenne A bzw. Elektrode EL1 anzuordnen, weil so der Einfluss der Elektrode EL2 auf die Antenne reduziert werden kann. Bei dem Reduktionsansatz, d. h. bei einer Lösung mit einer kleinflächigen Elektrode, welche nahe zur Antenne bzw. Elektrode EL1 angeordnet ist, kann die Elektrode EL2 eine Verstimmung der Antenne bewirken. Der Reduktionsansatz kann bei einem angemessenen Abstand auch bei einer großflächigen Elektrode EL2 oder bei einer großflächigen Antenne A verwendet werden. Welche der Lösungen in einem konkreten Funkgerät verwendet wird, hängt letztlich von der konkreten Anforderung an das Funkgerät ab. Steht nur relativ wenig Platz für die Anordnung einer Elektrode EL2 zur Verfügung, kann es daher auch vorteilhaft sein, eine Lösung nach dem Reduktionsansatz zu implementieren.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung für ein Funkgerät. Zusätzlich zu der in 5 gezeigten Elektrode EL2 ist hier eine dritte Elektrode EL3 vorgesehen. Vorzugsweise wird die Elektrode EL3 zwischen der Sendeelektrode EL1 bzw. Antenne A und der Empfangselektrode EL2 angeordnet. Bei der in 6 gezeigten Ausgestaltung wird die Antenne A als Sendeelektrode EL1 verwendet und die Elektrode EL2 als Empfangselektrode verwendet. In Abhängigkeit von den konkreten Anforderungen an das Funksystem kann aber auch die Antenne A als Empfangselektrode und die Elektrode EL2 als Sendeelektrode verwendet werden.
Die Ankoppelung der Antenne A an die kapazitive Sensoreinrichtung entspricht hierbei im Wesentlichen, wie bereits mit Bezug auf 4 und 5 gezeigt, nämlich über ein Tiefpassfilter. Die Ankoppelung der Antenne an den Transceiver (HF-Transceiver) des Funkgerätes über ein Hochpassfilter entspricht ebenfalls, wie bereits mit Bezug auf 5 und 6 gezeigt. Das Tiefpassfilter und das Hochpassfilter erfüllen hierbei ebenfalls die Funktion, wie mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
Die Elektrode EL3, welche zwischen der Sendeelektrode EL1 und der Empfangselektrode EL2 angeordnet ist, wird mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, welches im Wesentlichen gegenphasig zu dem an der Sendeelektrode EL1 beaufschlagten elektrischen Wechselsignals sein kann. Das an der dritten Elektrode EL3 beaufschlagte elektrische Wechselsignal kann ebenfalls von dem Signalgenerator G1 bereitgestellt werden. Durch Vorsehen der dritten Elektrode EL3 kann eine zwischen der Sendeelektrode EL1 und der Empfangselektrode EL2 bestehende kapazitive Grundkoppelung reduziert bzw. eliminiert werden.
Auch bei der in 6 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung kann die Antenne A sowohl als Sendeelektrode als auch als Empfangselektrode verwendet werden. Wie bei der in 5 gezeigten Ausführungsform hängt es auch bei der in 6 gezeigten Ausführungsform von den konkreten Anforderungen an ein Funkgerät ab, ob die Antenne A als Sendeelektrode oder als Empfangselektrode verwendet wird.
Die Empfangselektrode und die dritte Elektrode EL3 können gemeinsam für eine Absorptionsmessung zur Annäherungsdetektion bei starkem Erdbezug genutzt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Antenne A als Sendeelektrode zu verwenden, weil die Empfangselektrode und die dritte Elektrode EL3 nahe zueinander angeordnet sein sollten und weil die Elektroden EL2, EL3 möglichst weit entfernt von der Antenne A angeordnet sein sollten, um Auswirkungen der Elektroden EL2, EL3 auf die HF-Funktionalität der Antenne zu vermeiden bzw. zu minimieren.
Durch die kapazitive Grundkoppelung C_SE zwischen der Sendeelektrode EL1 und der Empfangselektrode EL2 kann es trotz des größeren Abstandes zwischen der Elektrode EL1 und der Elektrode EL2 zu einer Einschränkung des Dynamikbereiches am Empfänger kommen. Diese Einschränkung des Dynamikbereiches am Empfänger kann durch die dritte Elektrode EL3, welche invertiert zur Sendeelektrode betrieben wird und über C_CE mit der Empfangselektrode EL2 koppelt, reduziert bzw. eliminiert werden. Durch die Signalinversion wird das Summensignal an der Empfangselektrode EL2 reduziert und so der Dynamikbereich des Empfängers erweitert.
Die mit Bezug auf 4 bis 7 gezeigten kapazitiven Sensoreinrichtungen können auch mit einer Einrichtung zur HF-Leistungsdetektion, wie in 1 gezeigt, kombiniert werden. Dadurch kann eine noch genauere Aussage über die tatsächlich in den Körper eingekoppelte Leistung getroffen werden und das Funksystem bzw. Funkgerät kann näher an der spezifizierten SAR-Grenze operieren. Das bedeutet, dass die Sendeleistung nicht unnötig reduziert werden muss, um sicherzustellen, dass ein vorbestimmter Grenzwert für die Strahlenbelastung eines menschlichen Körpers nicht überschritten wird. Im Gegensatz zu Systemen, bei denen nur eine HF-Leistungsdetektion oder nur eine Annäherung an den Körper gemessen wird, wie mit Bezug auf 1 bzw. 2 gezeigt, kann im Falle einer Annäherung eines Körpers an das Funkgerät dennoch eine höhere Reichweite erzielt werden.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors für ein Funkgerät, welcher im Wesentlichen als differentieller kapazitiver Annäherungssensor ausgestaltet ist. Der kapazitive differentielle Annäherungssensor umfasst im Wesentlichen zwei Sensorelektroden EL1, EL2, einen Signalgenerator, ein elektrisches Lastelement und eine elektrische Schaltung zum Trennen eines Gegentakt-Anteils von einem Gleichtakt-Anteil eines elektrischen Signals. Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel kann entweder die Sensorelektrode EL1 oder die Sensorelektrode EL2 durch die Antenne A des Funkgerätes gebildet werden.
Die Sensorelektroden umfassen eine erste Sensorelektrode EL1 und eine zweite Sensorelektrode EL2, welche in dem Sensorsystem gleichberechtigt funktionieren und gleichzeitig Sende- und Empfangselektroden darstellen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode EL1 gleichzeitig Antenne des Funkgerätes. Der Signalgenerator ist über das elektrische Lastelement LE mit den beiden Sensorelektroden EL1 und EL2 gekoppelt. Der Signalgenerator stellt eine differenzielle Wechselspannung zur Verfügung, welche über das elektrische Lastelement LE den Sensorelektroden EL1 und EL2 beaufschlagt wird. Der Signalgenerator kann zwei unsymmetrische Generatoren G1 und G2 umfassen, welche jeweils ein identisches Signal erzeugen, wobei das Signal des Generators G1 zu dem Signal des Generators G2 einen Phasenunterschied von 180° aufweist. Über die elektrische Last LE wird das Signal des ersten Generators G1 der ersten Sensorelektrode EL1 beaufschlagt, das um 180° phasenverschobene Signal des Generators G2 wird über das Lastelement LE der zweiten Sensorelektrode EL2 beaufschlagt.
Die elektrische Last LE kann zusammen mit der zu messenden kapazitiven Last, welche durch ein sich an die Sensorelektroden EL1, EL2 annäherndes Objekt gebildet wird, ein Tiefpassfilter erster Ordnung bilden. Die elektrische Last LE kann beispielsweise mittels Widerstände realisiert werden. Die elektrische Last kann aber auch durch die Last eines vorgeschalteten Differenzverstärkers realisiert werden. Die Last kann dabei Bestandteil des Differenzverstärkers sein.
Ferner kann zwischen der elektrischen Last LE und den Elektroden A/EL1 und EL2 jeweils ein Tiefpassfilter angeordnet sein, wie mit Bezug auf 4 bis 6 gezeigt,.
Die Schaltung zum Trennen des Gegentakt-Anteils vom Gleichtakt-Anteil eines elektrischen Signals kann etwa mittels eines volldifferenziellen Verstärkers A1 realisiert werden. Das von einem elektrisch leitfähigen Objekt beeinflusste Gegentaktsignal zwischen den Sensorelektroden EL1 und EL2 kann mit Hilfe des volldifferenziellen Verstärkers A1 selektiert und einer Gegentakt-Auswerteeinrichtung (differenzielle Empfangs- und Auswerteeinrichtung) zugeführt werden. Die Gegentakt-Auswerteeinrichtung kann gesondert implementiert sein oder als Teil einer größeren Signalverarbeitungseinheit, etwa ein Mikrocontroller, zur Verfügung gestellt werden. Der Gegentakt-Auswerteeinrichtung kann das differenzielle Ausgangssignal des Verstärkers A1 zugeführt werden. Alternativ kann auch nur einer der beiden Signalleiter zur Weiterverarbeitung der Gegentakt-Auswerteeinrichtung zugeführt werden. In einer noch weiteren Alternative kann das differenzielle Ausgangssignal des volldifferenziellen Verstärkers A1 in ein erdbezogenes Signal gewandelt werden, welches dann der Gegentakt-Auswerteeinrichtung zugeführt wird.
Wie in 7 erkennbar, ist die Last LE des volldifferenziellen Verstärkers A1 parallel zu dem Elektrodenpaar EL1 und EL2 geschaltet. Insgesamt ergibt sich so ein Tiefpass erster Ordnung unter Berücksichtigung des durch den Menschen eingebrachten kapazitiven Netzwerks. Die elektrische Last LE wird vorzugsweise so dimensioniert, dass sich bei einer Annäherung eines Menschen an die Sensorelektroden EL1, EL2 zwischen den Zuständen „kein Mensch im elektrischen Wechselfeld” und „größte Annäherung” eine maximale Betragsänderung in der Übertragungsfunktion des Tiefpassfilters ergibt. Der Pegel wird bei einer Annäherung eines Menschen an die Sensorelektrode stets reduziert, weil die Zeitkonstante des Filters steigt und die Eckfrequenz des Filters fällt.
Wesentliche Merkmale des kapazitiven Annäherungssensors sind das Differenzsignal, mit welchem das Filter angeregt wird sowie die nachgeschaltete Gegentakt-Auswertung, welche mit Hilfe des volldifferenziellen Verstärkers A1 und der Gegentakt-Auswerteeinrichtung bereitgestellt wird. Üblicherweise ist in einem System mit drei Leitern (zwei Signalleiter und Masse), wie bei dem hier beschriebenen kapazitiven Annäherungssensor die Existenz zweier Signalarten möglich, wobei jede Signalart charakteristische Eigenschaften aufweist. Die beiden Signalarten umfassen die sogenannten Gegentaktsignale und die sogenannten Gleichtaktsignale.
Die Gegentaktsignale sind durch eine gleiche Amplitude auf beiden Signalleitern bei einem Phasenversatz von genau 180° gekennzeichnet. Die Signale sind also bis auf die Phasenverschiebung identisch. Weil die Signalspannung gegen den jeweils anderen Signalleiter gerichtet ist, ergibt sich zwischen beiden Signalen eine sogenannte virtuelle Masse, die gewisse Eigenschaften mit der tatsächlichen Erdmasse teilt. So liegen für ein Wechselsignal virtuelle Masse und Erdmasse auf dem gleichen Potenzial, was bedeutet, dass dazwischen kein Stromfluss stattfindet.
Gleichtaktsignale zeichnen sich durch die gleiche Amplitude auf beiden Signalleitern bei vollkommen identischer Phase aus. Da der Gleichtakt-Anteil stets gleiches Potenzial auf beiden Signalleitern aufweist, werden masseunabhängige Schaltungsteile zwischen den Signalleitern nicht von Gleichtakt-Strömen durchflossen.
Die Signale auf einem Leiterpaar lassen sich immer in die beiden oben genannten Anteile (Gegentakt-Anteil und Gleichtakt-Anteil) zerlegen. Wesentlich für den erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor ist das Gegentaktsignal, welches durch die Signalgeneratoren G1 und G2 erzeugt und bereitgestellt wird, den Elektroden EL1 und EL2 beaufschlagt und anschließend ausgewertet wird. Weil Störsignale meist als Gleichtaktstörer in das Sensorsystem bzw. in die Sensorelektroden EL1 und EL2 einkoppeln, werden sie bei der Gegentakt-Auswertung ausgelöscht und beeinträchtigen die weitere Verarbeitung nicht. Der erfindungsgemäße kapazitive Annäherungssensor ist daher besonders robust gegen Störeinkoppelungen.
Bei Funksystemen mit mehreren Antennen kann bei entsprechender Anordnung der Antennen zueinander auch die zweite Elektrode EL2 durch eine Antenne gebildet werden, sodass letztlich auch für den in 7 gezeigten differentiellen Annäherungssensor keine zusätzlichen Elektroden notwendig sind.
Weitere Ausgestaltungen eines differentiellen kapazitiven Annäherungssensors sind in der ebenfalls von der Anmelderin stammenden deutschen Patentanmeldung DE 10 2011 002 447 beschrieben, wobei jeweils eine der Sensorelektroden durch eine Antenne des Funkgerätes gebildet wird.
8 zeigt drei Funkgeräte, wobei links ein Funkgerät mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung nach dem Loading-Verfahren, in der Mitte ein Funkgerät mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung nach dem Transmissions-Verfahren und rechts ein Funkgerät mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung mit einer zusätzlichen dritten Elektrode gezeigt sind.
Bei einem kapazitiven Sensor, welcher nach dem Loading-Verfahren arbeitet, ist keine zusätzliche Elektrode notwendig, weil die einzige hierfür erforderliche Elektrode EL1 durch die Antenne A des Funkgerätes gebildet wird. Wie oben gezeigt, wird hier der tatsächliche Abstand zwischen Antenne A und dem menschlichen Körper detektiert, welcher am ehesten als Maß für eine Einkoppelung der HF-Sendeleistung in den menschlichen Körper entspricht.
Bei dem in der Mitte gezeigten Funkgerät mit einem nach dem Transmissions-Verfahren arbeitenden kapazitiven Sensor ist zusätzlich eine Elektrode EL2 notwendig, welche an geeigneter Position relativ zur Elektrode EL1 bzw. Antenne A an dem Funkgerät anzuordnen ist. Die Anordnung der Elektrode EL2 an bzw. in dem Funkgerät sollte so gewählt sein, dass die Elektrode EL2 möglichst dann abgedeckt ist (etwa durch die Gehäuseschale), wenn auch die Antenne A abgedeckt ist. Ferner ist ein Abstand zwischen der Antenne A bzw. Elektrode EL1 und der Elektrode EL2 so zu wählen, dass die kapazitive Grundkoppelung zwischen der Antenne und der Elektrode EL2 nicht zu hoch ist, was zu einer Verstimmung der Antenne führen kann.
Für die Eliminierung der kapazitiven Grundkoppelung zwischen der Antenne A bzw. Elektrode EL1 und der zweiten Elektrode EL2 kann eine zusätzliche dritte Elektrode EL3 vorgesehen sein, welche zwischen der Elektrode EL1 und der Elektrode EL2 anzuordnen ist, wie mit Bezug auf die rechte Abbildung in 8 gezeigt. Wie oben erläutert, ist die Elektrode EL3 mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, welches gegenphasig zu dem an der Elektrode EL1 (Sendeelektrode) zu beaufschlagenden elektrischen Wechselsignal ist.
Bei gleichzeitiger Nutzung einer Antenne eines Funkgerätes als Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung ergeben sich mehrere Vorteile:

– die Anzahl der für eine kapazitive Sensoreinrichtung notwendigen Sensorelektroden kann reduziert werden. Beispielsweise ist für eine kapazitive Sensoreinrichtung, welche nach dem Loading-Verfahren arbeitet, keine eigene bzw. zusätzliche Sensorelektrode notwendig, weil die Antenne des Funkgerätes als Sensorelektrode fungiert. Bei einer kapazitiven Sensoreinrichtung nach dem Transmissions-Verfahren ist lediglich eine einzige weitere Sensorelektrode notwendig, weil eine der beiden Sensorelektroden durch die Antenne gebildet wird. Auch bei dem Drei-Elektrodensystem, wie mit Bezug auf 6 gezeigt, sind lediglich zwei zusätzliche Elektroden vorzusehen, weil auch hier die Antenne des Funkgerätes als Sensorelektrode verwendet wird. Daraus ergeben sich geringere Kosten für die kapazitive Sensoreinrichtung. Ferner ergeben sich geringere Einschränkungen beim Gerätedesign, weil jeweils eine Elektrode weniger vorgesehen werden muss, welche angeschlossen und platziert werden müsste. Insbesondere ist bei sehr kompakten Funkgeräten, etwa Mobiltelefonen, der für die Anordnung einer Elektrode vorhandene Platz beschränkt, sodass insbesondere bei kleinen Funkgeräten der Verzicht auf eine Elektrode besonders vorteilhaft ist. In Funkgeräten mit mehreren Antennen (etwa bei einem Smartphone mit einer Mobilfunkantenne und einer GPS-Antenne) kann bei geeigneter Anordnung der Antennen relativ zueinander sogar bei dem in 6 gezeigten Transmissions-Verfahren auf die zweite Elektrode EL2 verzichtet werden, weil eine Elektrode etwa durch die Mobilfunkantenne und die andere Elektrode etwa durch die GPS-Antenne gebildet werden kann. Ferner können bei Mehr-Antennen-System, etwa MIMO-Systeme einige oder alle Antennen gleichzeitig als Sensorelektrode verwendet werden, sodass für das Transmissions-Verfahren keine zusätzlichen Sensorelektroden notwendig sind.
– Weil die Antenne sowohl die abzuschätzende HF-Strahlung emittiert und gleichzeitig Teil der Sensorstrecke des kapazitiven Sensors ist, ist die Aussage des kapazitiven Sensors stark mit der HF-Abstrahlung korreliert.
– Insbesondere haben die erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtungen gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoreinrichtung nach 2 den Vorteil, dass die vorstehend genannte Korrelation nicht durch Annäherung der Sensorflächen an die Antenne erzeugt werden muss. Dadurch wird verhindert, dass mit zunehmender Annäherung der Sensorflächen an die Antenne die Ausbreitungseigenschaften der Antenne negativ beeinflusst werden.
Das Funkgerät ist unter Umständen nicht mehr gut angepasst und kann im Sendefall nicht seine vollständige Leistung abgeben und hat im Empfangsfall nicht seine volle Empfindlichkeit.

Die erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung ist vorstehend in Zusammenhang mit einem Funkgerät beschrieben worden. Ein Funkgerät kann beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Schnurlostelefon, ein Smartphone, ein tragbarer Kleincomputer, ein Tablet-PC, ein WLAN-Gerät, oder dergleichen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011002447 [0096]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.11-Protokoll [0049]

Claims

Kapazitive Sensoreinrichtung für ein Funkgerät, insbesondere zur Abschätzung einer spezifischen Absorptionsrate (SAR) des Funkgerätes, wobei die Sensoreinrichtung mit zumindest einer ersten Elektrode (EL1) koppelbar ist, und wobei im Betrieb des Funkgerätes (10) die erste Elektrode (EL1) gleichzeitig eine Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung und eine Antenne (A) des Funkgerätes ist.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (EL1) – über ein Hochpassfilter mit einer Transceiver-Schaltung des Funkgerätes, und – über ein Tiefpassfilter mit der Sensoreinrichtung gekoppelt ist.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung zusätzliche eine zweite Elektrode (EL2) aufweist, welche in eine kapazitive Koppelung mit der ersten Elektrode (EL1) bringbar ist, wobei eine der beiden Elektroden (EL1, EL2) als Sendeelektrode und die jeweils andere Elektrode (EL2, EL1) als Empfängerelektrode betreibbar sind, und wobei die Sendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (EL1) als Sendeelektrode betreibbar ist, und wobei die erste Elektrode (EL1) über das Tiefpassfilter mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Sensoreinrichtung zusätzliche eine dritte Elektrode (EL3) aufweist, welche im Wesentlichen zwischen der ersten Elektrode (EL1) und der zweiten Elektrode (EL2) angeordnet ist und welche mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, welches im Wesentlichen invers zu dem an der Sendeelektrode beaufschlagten elektrischen Wechselsignal ist.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Tiefpassfilter eine Mikrostreifenleitung umfasst.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auswerte-Schaltung der Sensoreinrichtung ausgestaltet ist, eine Annäherung eines Objektes an die Elektroden der Sensoreinrichtung und/oder einen Abstand eines Objektes zu den Elektroden der Sensoreinrichtung zu detektieren.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Funkgerät eine Detektionseinrichtung zur Detektion der an der Antenne abgestrahlten HF-Sendeleistung aufweist, wobei die detektierte HF-Sendeleistung zusammen mit der detektierten Annäherung an die Elektroden der Sensoreinrichtung in die Abschätzung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) des Funkgerätes einfließt.
Funkgerät, aufweisend eine kapazitive Sensoreinrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Antenne des Funkgerätes mit der kapazitiven Sensoreinrichtung koppelbar ist und wobei im Betrieb des Funkgerätes (10) Antenne gleichzeitig als Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung und als HF-Antenne (A) des Funkgerätes betreibbar ist.
Funkgerät nach Anspruch 9, wobei dieses zumindest eines aus Mobilfunkgerät, Mobiltelefon, Schnurlostelefon, WLAN-Gerät, Kleincomputer, und Tablet-PC ist.
Verfahren zum Einstellen einer Sendeleistung eines Funkgerätes, wobei – eine Annäherung eines Objektes an das Funkgerät, vorzugsweise an eine Antenne des Funkgerätes und/oder ein Abstand eines Objektes zu dem Funkgerät, vorzugsweise zu einer Antenne des Funkgerätes, detektiert wird und ein Detektionsergebnis bereitgestellt wird, – eine spezifische Absorptionsrate (SAR) des Funkgerätes geschätzt wird, wobei in die Schätzung der SAR das Detektionsergebnis einfließt, und – in Abhängigkeit der Schätzung die Sendeleistung des Funkgerätes erhöht oder reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei zur Detektion der Annäherung und/oder des Abstandes eine kapazitive Sensoreinrichtung verwendet wird, wobei eine Antenne des Funkgerätes gleichzeitig als Antenne und als Sensorelektrode der kapazitiven Sensoreinrichtung betrieben wird, und wobei die Antenne über ein Tiefpassfilter mit der kapazitiven Sensoreinrichtung gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die an der Antenne abgestrahlte HF-Sendeleistung detektiert wird und die detektierte HF-Sendeleistung in die Schätzung der SAR mit einfließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Antenne mit einem elektrischen Wechselsignal der kapazitiven Sensoreinrichtung beaufschlagt wird und wobei die kapazitive Belastung des Wechselsignals detektiert wird, wobei die kapazitive Belastung ein Maß für die Annäherung und/oder für den Abstand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine zweite Elektrode (EL2) der kapazitiven Sensoreinrichtung in eine kapazitive Koppelung mit der Antenne des Funkgerätes gebracht wird, und wobei entweder die zweite Elektrode oder die Antenne als Sendeelektrode betrieben wird und wobei die Sendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal der kapazitiven Sensoreinrichtung beaufschlagt wird, wobei an der jeweils anderen Einheit – Antenne oder Elektrode – die kapazitive Koppelung zwischen der Antenne und der zweiten Elektrode detektiert wird, und wobei die detektierte kapazitive Koppelung ein Maß für die Annäherung und/oder für den Abstand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei als Tiefpassfilter eine Mikrostreifenleitung verwendet wird.