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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Signalstärke eines Antennensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Antennensystem umfassend mehrere Antennen und Transceiver zum Empfang und Senden von Daten auf mehreren Frequenzen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Stand der Technik
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Antennen werden vielerorts zur kabellosen Übertragung von Information verwendet, insbesondere bei sich bewegenden Objekten, wie Autos, Lastkraftwagen oder Drohnen oder bewegbaren Geräten, wie Mobiltelefonen, Laptops, Tablets oder Navigationsgeräten. Bisher werden Antennen in der Regel für jedes Produkt maßgeschneidert, das heißt individuell designt, was gleichzeitig teuer und zeitaufwendig in der Entwicklung ist. Dabei muss eine Balance zwischen Performance und Flexibilität für den Gebrauch des jeweiligen Produktes gefunden werden. Da für verschiedene Produkte sehr unterschiedliche Anforderungen herrschen, werden diese jeweils separat und produktspezifisch abgewogen, womit die für das jeweilige Produkt ideale Antenne designt wird. Es liegt insbesondere ein Augenmerk auf einer auf das Gerät angepassten Bauform und auf der dem Nutzerverhalten angepassten Frequenzbänderauswahl, also einer Auswahl der Kommunikationsstandards.
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In der Übertragungstechnik werden für die drahtlose Kommunikation verschiedenste Frequenzbänder verwendet. Es ist daher von großem Vorteil, wenn Antennen nicht nur auf einem Frequenzband Daten senden und empfangen können, sondern für verschiedene Frequenzbänder und damit unterschiedliche Kommunikationsstandards verwendet werden können, da damit die Anzahl der Antennen in einem Gerät reduziert werden kann. Es ist außerdem wichtig, dass die Antennen auf der jeweils genutzten Frequenz eine bestmögliche Signalstärke erreichen, um auch bei größerer Entfernung oder im Falle von bewegten Antennen eine gute Datenübertragung zu gewährleisten. Insbesondere, wenn mehrere Antennen gleichzeitig genutzt werden, dürfen sich die Signale nicht gegenseitig stören.
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Bei transportablen oder bewegbaren Produkten, was heutzutage fast alle drahtlosen Kommunikationsgeräte und Fortbewegungsmittel umfasst, sollte nicht nur ein auf das Gerät oder Produkt angepasstes Antennendesign berücksichtigt werden, sondern auch eine Möglichkeit, die Antennenauswahl auf den Standort und die gerade genutzten Frequenzen des Geräts anzupassen, insbesondere, wenn man sich in einer Region mit geringer Netzabdeckung für den genutzten Frequenzbereich bewegt. Hierbei ist nicht nur die Anordnung der Antennen im Produkt relevant, es wird auch eine robuste Software und ein flexibles Verfahren zur Antennenauswahl benötigt, falls mehrere Antennen in dem Produkt verbaut sind, oder wenn das Produkt mit einer Antenne zwischen verschiedenen Sendern, also Sendemasten, hin und her bewegt wird und somit immer wieder neu auf einen optimalen Empfang einjustiert werden muss.
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Ein Antennensystem und ein Verfahren zur Optimierung desselben ist bereits aus der
US 10 665 940 B2 bekannt, welche ein System und ein Verfahren beschreibt, wie mit einer Anzahl von festen Antennen eine Funkverbindung zu mehreren mobilen Flugzeugen hergestellt werden kann. Eine Regeleinheit verbindet die Antennen mit dem mindestens einen Transceiver. Dafür verwendet die Regeleinheit eine Schaltmatrix, um das gewünschte Kommunikationsprotokoll einzustellen und die Antennen mit den Transceivern zu verbinden. Dabei wird jedoch nicht separat die Empfangsstärke der Antennen gemessen, sondern jede Antenne sendet ihr Signal mit voller Stärke in die ihr zugewiesene Richtung, um eine bestmögliche Abdeckung eines Luftraums zu ermöglichen. Empfangen werden die Signale von sich im Luftraum bewegenden Flugzeugen, welche je nach Position von verschiedenen Antennen ihr Signal bekommen. Dabei wird jedoch nicht optimiert, über welchen Kanal der beste Empfang möglich ist. Hier unterscheidet sich die Offenbarung deutlich von der vorliegenden Erfindung, welche bei bewegten Systemen einen optimierten Empfang ermöglichen soll.
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In der
WO 2010/055201 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, in welcher mehrere multimodale Antennen von einem Prozessor ausgewählt werden können, wobei dieser die aktiven Kommunikationsprotokolle und die Nutzung des Gerätes bei der Auswahl mit einbezieht. In der Druckschrift wird insbesondere auf die Handhabung des Gerätes Rücksicht genommen, und es werden die Antennen auf diejenigen Frequenzen eingestellt, welche bei der momentanen Nutzung benötigt werden. Dabei ist eine konstante Netzwerkverbindung nötig, da ein Signal der Basisstation mit der Empfängerstation verglichen werden soll. Eine Anpassung des Antennendesigns und der Auswahl an die Bauform des Geräts und eine konstante mögliche Messung der Signalstärke während des Betriebs über den Antennen zugeordnete Richtungsschalter und einen gemeinsamen Koppelschalter wird nicht offenbart.
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Es gibt daher noch Verbesserungsbedarf bei der Optimierung der empfangenen Signalstärke von Antennensystemen, insbesondere für Anpassungen aufgrund der Bauform, bei bewegten Geräten und bei der Nutzung von mehreren Frequenzen zur gleichen Zeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Optimierung der Signalstärke eines Antennensystems, insbesondere über die Messung der Signalstärke, verschiedene Faktoren mit einzubeziehen und aufgrund von diesen die beste Antenne auszuwählen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Verfahren nach dem Empfang des Signals von mindestens zwei Empfangsantennen das jeweilige Signal über einen Richtungsschalter und einen Koppelschalter zu einem Messgerät weitergeleitet wird, wobei das Messgerät die Signalstärke der jeweiligen Empfangsantenne misst und anschließend den entsprechenden Messwert speichert. Diese Messung wird für jede der Empfangsantennen des Antennensystems durchgeführt, wobei anschließend aufgrund der gemessenen Werte die beste Empfangsantenne für die jeweilige Nutzung bei der jeweiligen Frequenz ausgesucht werden kann. Konkret folgt das Verfahren dabei den folgenden Schritten:
- - Empfangen eines Signals mit mindestens zwei Empfangsantennen (Schritt S4),
- - Weiterleiten des Signals einer der Empfangsantennen über einen Koppelschalter zu einem Messgerät und messen der Signalstärke der Empfangsantenneoder Empfangen einer in einem Netzwerk generierten Signalstärke (Schritt S5),
- - Speichern eines dadurch erhaltenen Messwertes (Schritt S6),
- - Wiederholen der Schritte S5 und S6 für jede Empfangsantenne des Antennensystems (Schritt S7) und
- - Nutzen der gespeicherten Messwerte zur Auswahl der Empfangsantenne mit der besten Signalstärke (Schritt S11).
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Die zu optimierende Signalstärke des Antennensystems ist dabei üblicherweise die Stärke des über ein Antennensystem empfangbaren Signals, welches im Vergleich zu dem vorliegenden Signalrauschen möglichst groß sein soll.
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Die im Verfahren verwendeten Antennen werden aufgrund ihrer Funktion als Empfangsantennen und Sendeantennen bezeichnet. Die im Antennensystem verbauten Antennen sind sowohl für den Empfang als auch für das Senden, insbesondere bei unterschiedlichen Frequenzen, ausgelegt. Die Antenne kann sowohl als Empfangsantenne als auch als Sendeantenne konfiguriert werden, sie kann also entweder Strahlung der ausgewählten Wellenlänge aussenden oder für eine Resonanz auf der ausgewählten Wellenlänge eingestellt sein. Vorteilhafterweise sind pro Antenne mehrere Frequenzbänder implementiert, das heißt, jede Antenne kann für die Kommunikation mit verschiedenen Kommunikationsstandards, wie beispielsweise mobile Datenübertragung im Handybereich (LTE, 4G oder 5G), Bluetooth, Radiosignale, GPS-Übertragung, WiFi, V2X und weitere, verwendet werden. Idealerweise kann zwischen den Frequenzbändern hin und her geschaltet werden. Dabei muss eine Antenne nicht jedes Frequenzband abdecken können, bevorzugterweise sind jedoch für jedes Frequenzband mehrere Antennen in dem Gerät vorhanden, aus welchen beim Empfang oder auch beim Versenden ausgewählt werden kann. Vorzugsweise kann eine bislang ungenutzte Antenne auf einen neuen Kommunikationsstandard eingestellt werden, wenn dieser benötigt wird, da meist nicht alle Kommunikationsstandards gleichzeitig genutzt werden. Dadurch steht dem Nutzer, trotz einer kompakten Bauweise des Antennensystems, eine große Bandbreite an Kommunikationsstandards zur Verfügung.
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Die Antennen sind in ihrer Bauform auf die Frequenzbereiche, die sie abdecken, abgestimmt, können aber auch je nach Einsatzort eine andere Bauform bekommen. Bevorzugterweise ist die Bauform der Antennen jedoch standardisiert, sodass die Antennen in unterschiedlichen Geräten eigesetzt werden können und für verschiedene Zwecke nutzbar sind. Wird bei den Antennen vor der Auslieferung eine Voraboptimierung, beispielsweise umfassend die Verfahrensschritte S4 bis S7, durchgeführt, so kann die Auswirkung der Bauform der Vorrichtung, speziell die der um die Antennen verbauten Komponenten, auf die Signalstärke der Antennen vermessen werden. Bei der Auswahl der Antennen kann dies mitberücksichtigt werden, sodass eine gute Signalstärke erreicht wird, obwohl das Antennensystem nicht notwendigerweise speziell für die Bauform der Vorrichtung designt wurde, sondern ein Standardsystem mit angepassten Tuner- und Schalterkonfiguration und individueller Vernetzung der Antennen mit den Transceivern verwendet wurde. In die Auswertung der Signalstärke können mehrere Größen einfließen, wie beispielsweise der Antennengewinn, die Antennenisolierung und die Richtwirkung, wobei sich dadurch die Qualität der Datenübertragung verbessern lässt. Bei der Optimierung der Signalstärke des Antennensystems versucht das Verfahren insbesondere, den Antennengewinn zu verbessern, da Richtwirkung und Isolierung der Antenne bereits durch die Bauform des Gerätes und der Antenne vorgegeben sind. Zur Verbesserung der Antennenisolation oder der Richtwirkung kann jedoch eine andere Antenne mit besseren baulichen Eigenschaften ausgewählt werden.
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Das verwendete Messgerät für die Messung der Signalstärke der Empfangsantenne ist bevorzugt ein Analogdigitalwandler, was bedeutet, dass das analoge Ausgangssignal der Empfangsantenne vom Messgerät in ein digitales Signal umgewandelt wird. Insbesondere kann das Messgerät ein Powermeter sein, welches als Eingangssignal ein analoges Stromsignal von der Antenne bekommt, und beispielsweise aus dessen Amplitude die Signalstärke auslesen und in ein digitales Signal überführen kann.
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Alternativ zur Messung der Signalstärke mit einem Messgerät in einer Feedback-Schleife des Verfahrens kann auch ein von Netzwerkantennen ausgesandtes Signal zur Signalstärke verwendet werden, beispielsweise ein RSSI Signal, mit welchem die verschiedenen Antennen verglichen werden können. In diesem Fall ist kein Koppelschalter im Antennensystem notwendig.
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Beim Speichern der Messwerte können diese insbesondere in einer Matrix gespeichert werden, wobei jeder Empfangsantenne ein Messwert zugeordnet wird. Die gespeicherte Matrix wäre daher eine 1xM Matrix, wobei M die Anzahl der Empfangsantennen bezeichnet. Aus dieser Matrix kann jederzeit die für das vorliegende Frequenzband optimale Antenne ausgewählt werden, und die Matrix kann individuell für verschiedene Vorrichtungen aufgenommen werden und auf diesen gespeichert werden.
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Das Verfahren ist insbesondere für eine Optimierung während des Betriebs geeignet, wenn beispielsweise eine unzureichende Signalstärke verbessert werden soll, weil der Empfang schlecht ist, das Rauschen des Signals zu groß ist oder zwei empfangene Signale einander stören, beispielsweise wenn ein GPS-Signal während einer mobilen Datenübertragung, z.B. mit LTE, verwendet werden soll. In diesem Fall könnte zur Verbesserung der Antennenisolation für mindestens einen der Frequenzbereiche die Antenne gewechselt werden. Mit dem Verfahren kann also getestet werden, ob auf einer anderen Antenne ein besserer Empfang möglich ist, um diese Probleme zu umgehen. Dabei kann das Verfahren regelmäßig zur Kontrolle ausgeführt werden, und/oder von einer schlechten Signalstärke getriggert werden.
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Vorzugsweise können vor dem Empfangen eines Signals mit mindestens zwei Empfangsantennen (Schritt S4) alle Antennen oder alle Empfangsantennen als Empfangsantennen mit einer Resonanz bei der gewünschten Frequenz eingestellt werden (Schritt S2). Insbesondere kann das Einstellen von weiteren Antennen für den Empfang bei der Empfangsfrequenz auch Teil der Schleife zur Wiederholung der Messung der Signalstärke sein (Schritt S7), sodass unter allen Antennen die beste Empfangsantenne ausgewählt werden kann, nicht nur unter den gerade genutzten Empfangsantennen.
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Vorzugsweise werden im Verfahren zur Optimierung der Signalstärke eines Antennensystems für das Senden eines Testsignals, beispielsweise zur VorabOptimierung vor der Inbetriebnahme, wenn kein nutzbares Signal von außerhalb des Antennensystems vorliegt, vor Schritt S4 noch folgende Schritte ausgeführt:
- Konfigurieren einer Antenne als Sendeantenne auf einer gewünschten Sendefrequenz (S1),
- Einstellen der weiteren Antennen des Antennensystems als Empfangsantennen mit einer Resonanz bei der Sendefrequenz (S2),
- Generieren eines Testsignals und Senden desselben über die Sendeantenne.
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Die Sendeantenne ist dabei eine ganz normale Antenne des Antennensystems, welche über einen Antennentuner konfiguriert wird, sodass diese, anstatt bei einer bestimmten Frequenz optimale Resonanz zu zeigen, die eingestellte Frequenz aussendet. Zu diesem Zweck hat jede Antenne bevorzugterweise einen eigenen Antennentuner, über welchen sie konfiguriert werden kann, und welcher das Frequenzband einstellt. Bevorzugterweise sind alle weiteren Antennen des Antennensystems Empfangsantennen, wobei diese über ihren jeweiligen Antennentuner auf den Empfang der Sendefrequenz eingestellt werden. Durch das Aussenden eines bestimmten Signals von einer geräteigenen Antenne und das anschließende Messen der Signalstärke der unterschiedlichen Empfangsantennen kann für eine spezifische Sendefrequenz die optimale Empfangsantenne bewertet werden.
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Alternativ kann statt des Einstellens einer der Antennen aus dem Antennensystem als Sendeantenne und dem Senden des Testsignals von dieser Antenne auch ein externes Signal verwendet werden, beispielsweise das eines Teststandes bei der Kalibrierung der Komponenten. Damit können verschiedene Orte für das Signal und unterschiedliche Frequenzen getestet werden und je nach Vorrichtung während der Nutzung übliche Signale simuliert werden. Die vorab generierten Messwerte können als Referenzwerte in einem Speicher der Vorrichtung gespeichert werden und bei ähnlichen Signalen während der Nutzung als Default-Konfigurationen verwendet werden.
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Bevorzugterweise wird während der Messung keine konstante Datenverbindung über ein Netzwerk benötigt, insbesondere keine drahtlose Datenverbindung, da das Signal selbst von dem Antennensystem, der das Antennensystem enthaltenen Vorrichtung oder dem Teststand erzeugt wird. Insbesondere wenn das eigens vom Antennensystem oder der Vorrichtung erzeugte Signal verwendet wird ist es somit auch nicht nötig, dass die Vorrichtung einen guten Empfang oder eine kontinuierliche Datenverbindung zu einem externen Sender hat.
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Besonders bevorzugt werden nach dem Speichern der Messdaten für alle Empfangsantennen die Schritte S1 bis S7 für andere Antennen des Antennensystems als Sendeantenne wiederholt (Schritt S8), das heißt, jede Antenne des Antennensystems wird einmal zur Sendeantenne, wobei jeweils für die restlichen Antennen als Empfangsantenne die Signalstärken aufgezeichnet werden. Daraus ergibt sich eine Aufschlüsselung, welche Antenne für ein Signal aus einer bestimmten Richtung die beste Signalstärke für den Empfang bietet.
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Besonders bevorzugt werden im Anschluss des Verfahrens als weiterer Schritt (S9), vor dem Auswählen der Antenne, alle bisherigen Schritte für weitere Frequenzen erneut durchgeführt, das heißt, die Empfangsantennen werden auf eine neue Frequenz eingestellt, und für den Fall, dass eine der Antennen eine Sendeantenne ist, wird diese auf die jeweils gleiche Frequenz konfiguriert. Danach werden alle Schritte wie oben beschrieben ausgeführt. Es werden so lange Schritte wiederholt, bis für verschiedene Frequenzen, insbesondere für alle relevanten oder für alle gewünschten Frequenzen, und falls erforderlich für verschiedene Sendeantennen, jede andere Antenne als Empfangsantenne gemessen und deren Signalstärke aufgezeichnet wird. Die so erhaltenen Messwerte bieten einen guten Überblick über die optimalen Empfangsantennen für verschiedene Frequenzen mit unterschiedlichen Sendern aus unterschiedlichen Richtungen. Insbesondere ist bevorzugt, dass alle Frequenzen, die die Antennen senden oder empfangen können, durchgemessen werden.
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Besonders bevorzugt wird als vorletzter Schritt des Verfahrens eine Matrix abgespeichert, welche alle Messwerte enthält. Das bedeutet, dass nach Schritt S7, S8 oder S9 das Speichern der Messwerte in einer Matrix folgt. Die resultierende Matrix ist in der Regel eine Matrix mit Mx(M-1)xN Dimensionen, wobei M die Anzahl der Antennen und N die Anzahl der Frequenzen darstellt. Diese Darstellung geht davon aus, dass alle M Antennen einmal die Frequenz aussenden, wobei jeweils für alle restlichen M-1 Antennen als Empfänger die Messwerte aufgezeichnet werden, und dieses Verfahren für alle N Frequenzen wiederholt wird. Sollten nicht alle Antennen für alle Frequenzen konfigurierbar sein oder nicht alle Antennen sowohl Sende- als auch Empfangsantennen sein können, entsteht eine Matrix mit den allgemeinen Dimensionen MxOxN, wobei M die Anzahl der verschiedenen Sender ist, O die Anzahl der verwendeten Empfänger für den Messvorgang mit der maximalen Empfängeranzahl und N die Anzahl der Frequenzen, welche konfiguriert wurden. Eine solche Matrix zeigt einen exzellenten Überblick über alle Signalstärken von allen Antennen, was heißt, dass zu einem späteren Zeitpunkt aus der Matrix die optimale Empfangsantenne für eine bestimmte Frequenz und Senderichtung entnommen werden kann.
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Besonders bevorzugt wird als letzter Schritt des Verfahrens für jede gemessene Frequenz eine präferierte Empfangsantenne in einem Speicher der Vorrichtung hinterlegt. Bevorzugterweise wird dies im internen Speicher des Kontrollsystems abgelegt, sodass schnell darauf zugegriffen werden kann, wenn eine neue Frequenz eingestellt werden soll, beispielsweise bei einer Änderung der Sendefrequenz oder einer Richtungsänderung, insbesondere bei einer bewegten Vorrichtung. Damit liegt eine schnelle Information über die Nachjustierbarkeit der Antennen vor, womit die optimale Empfangsantenne ausgewählt werden kann.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Antennensystem umfassend mehrere Antennen, wobei jede der Antennen in mindestens zwei Frequenzbändern nutzbar ist, einen Antennentuner für jede Antenne, welcher mit der jeweiligen Antenne verbunden ist, eine insbesondere optionale Feedbackschleife und eine Schaltmatrix, welche einen Antennenschalter für jede Antenne und mindestens einen Transceiverschalter umfasst, wobei die Antennenschalter mit den jeweiligen Antennentunern verbunden sind und die Transceiverschalter mit den Transceivern verbunden sind, wobei jeder Transceiver über die Schaltmatrix mit jeder Antenne verbunden werden kann, gekennzeichnet dadurch, dass die Feedbackschleife ein Messgerät umfasst, welches eine Signalstärke misst, die von einer Antenne empfangen wurde und über einen Koppelschalter an das Messgerät gesandt wurde. Vorzugsweise ist das Messgerät ein Leistungsmesser.
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Die Antennen sind jeweils mit einem Antennentuner verbunden, welcher die Antenne für das Senden beziehungsweise den Empfang auf einem ausgewählten Frequenzband konfiguriert und optimiert, wobei sich die Frequenz der Antenne nach der Antennentunerkonfiguration richtet. Der Antennentuner, welcher ein Koaxialschalter, vorzugsweise des Typs SPnT-Schalter (Single Pole multiple Through-Schalter), ist, bekommt den Befehl für seine Konfiguration von einer Kontrolleinheit, welche vorzugsweise nicht Teil des Antennensystems ist, sondern über den Koppelschalter der Feedbackschleife mit dem Antennensystem verbunden ist. Die Kontrolleinheit bestimmt damit den Wechsel zwischen verschiedenen Kommunikationsstandards, beziehungsweise auch, welches Frequenzband für einen jeweiligen Kommunikationsstandard genutzt wird, falls mehrere zur Auswahl stehen. Die Antennen des Antennensystems sind dabei derart ausgeformt, dass sie sowohl empfangen als auch senden können, wobei die Antenne zwischen einem Empfangsmodus und einem Sendemodus umschaltbar ist.
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Die Transceiver sind Koaxialschalter, vorzugsweise SPnT-Schalter, und können mit jeder der Antennen über die Schaltmatrix verbunden werden. Der Transceiver ist ein Sender-Empfänger, wobei dieser im gleichen Frequenzband wie die mit ihm verbundene Antenne arbeitet. Die Transceiver werden in der Schaltmatrix über den Transceiverschalter mit dem Antennenschalter der jeweiligen Antenne verbunden, wobei grundsätzlich jeder Transceiverschalter mit jedem Antennenschalter verbindbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Antennensystem eine Feedbackschleife bestehend aus einem Richtungsschalter für jede Antenne, welcher mit dem Antennentuner verbunden ist, und einem Koppelschalter. Der Richtungsschalter ist ein Koaxialschalter, bevorzugt des Typs SPnT, und jeder Antennentuner ist mit einem Eingang des jeweiligen Richtungsschalters verbunden. Ganz besonders bevorzugt hat der Richtungsschalter zwei Ausgänge, ist also vom Typ SP2T, wobei die gekoppelten Ausgänge ein gekoppeltes Empfangssignal zum Koppelschalter leiten können. Bevorzugterweise ist der Koppelschalter ebenfalls ein SPnT-Schalter, wobei dessen Einzelport bevorzugterweise mit dem Messgerät der Kontrolleinheit verbunden ist. Der Through-Port des Richtungsschalters ist bevorzugt mit der Schaltmatrix, verbunden. Dass der Richtungsschalter ein Koaxialschalter ist, ist besonders vorteilhaft, da damit im laufenden Betrieb Messungen, beispielsweise der Signalstärke, durchgeführt werden können, und gleichzeitig die Antenne mit einem Transceiver verbunden werden kann. Insbesondere kann damit ein gekoppeltes Signal zum Kopplungsschalter und von dort zum Messgerät gesendet werden.
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Alternativ kann das Antennensystem auch ein Antennensystem ohne Feedbackschleife, also mit einer open-loop-Konfiguration, sein. In dieser alternativen Ausführungsform sind die Antennentuner direkt mit den Antennenschaltern verbunden, welche mit den Transceiverschaltern verbunden sind. Für ein Umschalten zwischen den Antennen in einem Netzwerk kann ein Netzwerksignal verwendet werden, beispielsweise kann der RSSI (Received Signal Strength Indikator) für jede Antenne gelesen und verglichen werden. Dadurch ist trotzdem eine Antennenauswahl möglich. Zudem kann als Vorabkonfiguration in einer Speicher- oder Kontrolleinheit außerhalb des Antennensystems eine initiale Konfiguration für Antennentuner, -schalter und Transceiverschalter gespeichert werden, welche im Bedarfsfall geladen wird. Hierbei können sowohl gerätespezifische als auch kundenspezifische Konfigurationen verwendet werden.
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Bevorzugterweise wird das Antennensystem mit einem Verfahren, wie in den vorherigen Absätzen beschrieben, optimiert, sodass die Signalstärke der einzelnen Antennen für die jeweilige Frequenz maximiert werden kann.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug, wie ein Auto oder einen LKW, oder ein elektrisches Gerät, wie ein Mobiltelefon oder ein Tablet, mit einem Kontrollsystem, welches ein Antennensystem, eine Kontrolleinheit und ein Transceiver-System umfasst. Die Kontrolleinheit regelt die Schalter und Tuner des Antennensystems und bekommt die Messergebnisse des Messgerätes des Antennensystems zur Auswertung. Das Transceiver-System, welches mit den Transceiverschaltern der Schaltmatrix des Antennensystems verbunden ist, umfasst die Transceiver und kann über deren Verbindung zu den Transceivertunern des Antennensystems Daten mit dem Antennensystem austauschen. Die Kontrolleinheit ist auch für die Regelung der Transceiver, insbesondere deren Auswahl, zuständig.
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Insbesondere kann das Kontrollsystem eine vorab nach dem in der Erfindung beschriebenen Verfahren hergestellte Matrix umfassen, welche in einem Speicher der Vorrichtung abgelegt ist, welcher insbesondere Teil der Kontrolleinheit sein kann, in welcher für jede Empfangsfrequenz und/oder - richtung eine optimale Empfangsantenne festgelegt ist. Vorzugsweise kann die Matrix mit der Vorrichtung schon bei deren Auslieferung mitgeliefert werden, sodass bei Inbetriebnahme schon eine auf die Bauform der Vorrichtung eingestellte Antennenkonfiguration feststeht. Zudem ist es möglich, für jede Vorrichtung eine eigene Matrix zu erstellen, welche die besonderen Gegebenheiten wie beispielsweise Fertigungstoleranzen, die Lage weiterer elektronischer Komponenten oder modellspezifische Bauformabweichungen mit einbeziehen kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in einer schaubildlichen Darstellung ein erfindungsgemäßes Verfahren für eine Voraboptimierung oder eine Optimierung während des Betriebs der Antennen,
- 2 in einer schaubildlichen Darstellung ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Voraboptimierung der Antennen,
- 3 in einer schematischen Darstellung das Antennensystem,
- 4 in einer schematischen Darstellung das Kontrollsystem, und
- 5 in einer schematischen Darstellung eine alternative Ausführungsform des Antennensystems.
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Die Bezugszeichen der Komponenten des Kontrollsystems sind, soweit nicht anderweitig vermerkt, in 3 abgebildet.
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1 zeigt ein Verfahren zur Optimierung eines Antennensystems 100. Das Verfahren ist insbesondere für eine Optimierung während des Betriebs geeignet. Es umfasst die folgenden Schritte:
- Als erster Schritt S4 wird ein Signal von vier Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 empfangen. Die Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 sind dabei Teil des Antennensystems 100. Dabei ist das empfangene Signal der Antennen 11, 12, 13, 14 ein externes Signal, welches also außerhalb des Antennensystems generiert wurde. In einem zweiten Schritt S5 wird das Signal einer der Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 zu einem Messgerät 42 weitergeleitet. Bevorzugterweise regelt die Kontrolleinheit 82 (siehe 4) dazu den Koppelschalter 41, welcher ein gekoppeltes Signal eines mit einer Antenne 11, 12, 13, 14 verbundenen Richtungsschalters 31, 32, 33, 34 an die Messgerät 42 weiterleitet. In der Regel ist das weitergeleitete Signal ein analoges Signal, dessen Amplitude die Signalstärke des von der Antenne 11, 12, 13, 14 empfangenen Signals angibt. In einem dritten Schritt S6 wird das zum Messgerät 42 weitergeleitete Signal von diesem gemessen und bevorzugterweise in ein digitales Signal umgewandelt, welches auf einer Speicherkarte oder in einem internen Speicher der Kontrolleinheit 82 (siehe 4) gespeichert werden kann. Der dadurch erhaltene Messwert wird zusammen mit der Kennung der Antenne 11, 12, 13, 14, anhand welcher die Antenne 11, 12, 13, 14 intern identifiziert werden kann, gespeichert. Zusätzlich können noch weitere Daten miterfasst werden, wie beispielsweise die Frequenz des Signals, der Standort der Vorrichtung beziehungsweise der Empfangsantenne oder ähnliches. Anschließend werden die Schritte S5 und S6 für jede der Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 wiederholt S7. Die Wiederholung kann dabei durchgeführt werden, bis jede Antenne vermessen ist, oder falls die Information vorliegt, welche Antenne zum Empfang eines Signals der empfangen Frequenz besonders geeignet ist.
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Die dadurch erhaltenen Echtzeit-Messwerte, welche insbesondere Informationen zur Isolation und der Kopplung der Antennen 11, 12, 13, 14 untereinander enthalten, können dann in einem letzten Schritt S11 als Basis für die Auswahl der besten Empfangsantenne 11, 12, 13,14 gewählt werden. Dabei soll in der Regel die Antenne 11, 12, 13, 14 mit der höchsten Antennenisolation, dem höchsten Antennengewinn oder der größten Signalstärke ausgewählt werden.
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2 zeigt in einem Schaubild die Schrittabfolge einer Voraboptimierung des Antennensystems 100, beispielsweise nach der Installation der Produktsoftware und vor der Auslieferung der Vorrichtung, in welcher das Antennensystem 100 verbaut ist.
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Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte: Im ersten Schritt S1 wird eine der Antennen 11, 12, 13, 14 als Sendeantenne auf der gewünschten Sendefrequenz eingestellt. Die Einstellung geschieht über einen Antennentuner 21, 22, 23, 24, welcher die gewünschte Frequenz von einer Kontrolleinheit 82 (siehe 4) übermittelt bekommt. Im Anschluss werden in einem zweiten Schritt S2 die weiteren Antennen 11, 12, 13, 14 des Antennensystems 100 als Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 mit einer Resonanz bei der in Schritt S1 eingestellten Sendefrequenz eingestellt. Auch die Resonanzfrequenz der Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 wird über den jeweiligen Antennentuner 21, 22, 23, 24 eingestellt, welcher die Information über die einzustellende Empfangsfrequenz von der Kontrolleinheit 82 (siehe 4) bekommt. Im Anschluss wird ein Testsignal generiert (Schritt S3), welches von der Sendeantenne 11, 12, 13 oder 14 ausgesandt wird. Die folgenden Schritte gleichen den in 1 dargestellten Schritten, das heißt, es wird in einem vierten Schritt S4 das Signal mit mindestens zwei Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 empfangen und in dem darauffolgenden Schritt S5 an ein Messgerät 42 weitergeleitet, wo das Signal in einem Schritt S6 gemessen und als insbesondere digitaler Messwert abgespeichert wird. Aufgrund der unterschiedlichen Position der Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 in der Vorrichtung empfangen die Antennen 11, 12, 13, 14 jeweils einen unterschiedlichen Anteil des ausgesandten Signals. Die jeweiligen Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 der Antennen 11, 12, 13, 14 leiten dabei das gekoppelte Signal an den Koppelschalter 41 weiter, welcher immer ein Signal an das Messgerät 42 weiterreicht, bis alle Signale gemessen und gespeichert wurden.
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Daraufhin werden in einem Schritt S7 die Schritte S5 und S6 für jede der Empfangsantennen 11, 12, 13, 14 wiederholt, bis alle Antennen mit Ausnahme der Sendeantenne 11, 12, 13 oder 14 einen Messwert für die empfangene Signalstärke geliefert haben. Nun kann in einer weiteren Schleife (SchrittS8) eine andere Antenne 11, 12, 13, 14 zur Sendeantenne bestimmt werden und auf die gewünschte Frequenz von ihrem Antennentuner 21, 22, 23, 24 eingestellt werden. Im Anschluss werden die Schritte S1 bis S7 wie oben beschrieben wiederholt, sodass für die neue Sendeantenne 11, 12, 13 oder 14 auch ein Messwert für jede neue Empfangsantenne 11, 12, 13, 14 gemessen wird. Anschließend kann in einem Schritt S9 eine andere Frequenz vom Antennentuner 21, 22, 23, 24 eingestellt werden, wobei die Schritte S1 bis S8 für die neue Frequenz wiederholt werden, das heißt insbesondere, dass alle Antennen 11, 12, 13, 14 einmal als Sendeantenne fungieren und jeweils für alle weiteren der Antennen 11, 12, 13, 14 ein Empfangssignal gemessen und abgespeichert wird. Im Anschluss wird in einem Schritt S10 eine Matrix in einem Speicher hinterlegt, welche zu jeder Frequenz und jeder Sendeantenne die entsprechenden Messwerte der Signalstärke der Empfangsantenne 11, 12, 13, 14 aufzeichnet. Darin sind können auch alle optimalen Konfigurationen für die Antennenisolation mit entsprechender Schalter- und Tunerkonfiguration der Antennen 11, 12, 13, 14 und der Transceiver 71, 72, 73, 74 gespeichert. Während der späteren Nutzung der Vorrichtung kann die Kontrolleinheit 82 (siehe 4) in der Matrix die besten Konfigurationskombinationen nachschlagen, um auch ohne erneute Optimierung die bestmögliche Antennenauswahl zu treffen.
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Wenn eine Voraboptimierung mit gespeicherter Matrix durchgeführt wurde, kann während des Betriebs auch eine Optimierung der Vorrichtung nur mit den vielversprechendsten Antennen, welche in der Vorabkalibrierung die höchsten Werte hatten, durchgeführt werden. Dabei können beispielsweise nur die signalstärksten drei beziehungsweise fünf Antennen 11, 12, 13, 14 vermessen werden, um unter diesen möglichst schnell eine besonders gute Empfangssignalstärke zu ermitteln.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Antennensystems 100 mit beispielhaft dargestellt vier Antennen 11, 12, 13, 14. Das Antennensystem 100 kann grundsätzlich aus beliebig vielen Antennen 11, 12, 13, ... 1n bestehen, der Übersichtlichkeit halber sind hier jedoch nur vier Antennen abgebildet. Jede der Antennen ist mit einem Antennentuner 21, 22, 23, 24 verbunden, welcher die Antenne regelt. Jeder Antennentuner 21, 22, 23, 24 ist mit einem Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 verbunden, wobei der Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 insbesondere ein Koaxialschalter (SPnT) ist. Von den Richtungsschaltern 31, 32, 33, 34 geht eine Leitung zu einem Koppelschalter 41, welcher mit einem Messgerät 42 verbunden ist, der die Signalstärke der Antennen 11, 12, 13, 14 vermisst und insbesondere ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt. Die Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 und der Koppelschalter 41 zusammen stellen die Feedbackschleife 40 dar. Eine weitere Leitung der Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 verläuft zu einem Antennenschalter 51, 52, 53, 54, wobei jeder Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 mit einem Antennenschalter 51, 52, 53, 54 verbunden ist. Die Antennenschalter 51, 52, 53, 54 stellen mit den Transceiverschaltern 61, 62, 63, 64 gemeinsam die Schaltmatrix 80 dar. Dabei ist jeder Antennenschalter 51, 52, 53, 54 mit jedem Transceiverschalter 61, 62, 63, 64 verbunden. Es gibt also NxM Leitungen, wobei N die Anzahl der Antennen 11, 12, 13, 14 und M die Anzahl der Transceiver 71, 72, 73, 74 darstellt. Im vorliegenden Schaubild sind vier Antennen 11, 12, 13, 14 und vier Transceiver 71, 72, 73, 74 abgebildet. Jeder Transceiverschalter 61, 62, 63, 64 ist mit einem Transceiver 71, 72, 73, 74 verbunden. Sollte nicht jede Antenne für jedes Frequenzband geeignet sein, so kann auch die Anzahl der Leitungen zwischen Antennenschaltern 51, 52, 53, 54 und Transceiverschaltern 61, 62, 63, 64 geringer sein, sodass nur diejenigen Antennen 11, 12, 13, 14 mit denjenigen Transceivern 71, 72, 73, 74 verbunden sind, welche technisch auf den gleichen Frequenzbändern kommunizieren können.
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4 stellt einen schematischen Aufbau eines Kontrollsystems 110 einer Vorrichtung mit einem Antennensystem 100 dar. Das Antennensystem 100 tauscht dabei Daten mit dem Transceiversystem 81 aus, in welchem die Transceiver 71, 72, 73, 74 (siehe 3) enthalten sind. Das Messgerät 42 in der Kontrolleinheit 82 misst die Signalstärke der Antennen 11, 12, 13, 14 (siehe 3) des Antennensystems 100, welche über den Kopplerschalter 41 (siehe 3) des Antennensystems 100 zur Reglereinheit 82 geleitet werden. Die Reglereinheit 82 wertet dann die Signalstärke aus und ermittelt einen digitalen Messwert, aufgrund dessen die Schalter und Tuner des Antennensystems 100 gesteuert werden. Des Weiteren übermittelt die Reglereinheit 82 auch die Auswahl des jeweiligen Transceivers 71, 72, 73, 74 (siehe 3) an das Transceiversystem 81.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Antennensystems 100, wobei beispielhaft für die integrierten Antennen vier Antennen 11, 12, 13, 14 dargestellt sind. Jede der Antennen ist mit einem Antennentuner 21, 22, 23, 24 verbunden, welcher die Antenne regelt. Die Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 sind jeweils mit einem Antennenschalter 51, 52, 53, 54 verbunden, wobei jeder Richtungsschalter 31, 32, 33, 34 einem spezifischen Antennenschalter 51, 52, 53, 54 zugeordnet ist. Dabei ist jeder Antennenschalter 51, 52, 53, 54 mit jedem Transceiverschalter 61, 62, 63, 64 verbunden und jeder Transceiverschalter 61, 62, 63, 64 ist mit einem Transceiver 71, 72, 73, 74 verbunden. Zwischen den Antennenschaltern 51, 52, 53, 54 und den Transceiverschaltern 61, 62, 63, 64 gibt es also NxM Leitungen, wobei N die Anzahl der Antennen 11, 12, 13, 14 und M die Anzahl der Transceiver 71, 72, 73, 74 darstellt. Im vorliegenden Schaubild sind vier Antennen 11, 12, 13, 14 und vier Transceiver 71, 72, 73, 74 abgebildet. Sollte nicht jede Antenne für jedes Frequenzband geeignet sein, so kann auch die Anzahl der Leitungen zwischen Antennenschaltern 51, 52, 53, 54 und Transceiverschaltern 61, 62, 63, 64 geringer sein, sodass nur diejenigen Antennen 11, 12, 13, 14 mit denjenigen Transceivern 71, 72, 73, 74 verbunden sind, welche technisch auf den gleichen Frequenzbändern kommunizieren können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10665940 B2 [0005]
- WO 2010/055201 A1 [0006]
