DE10202757B4

DE10202757B4 - Antennenvorrichtung

Info

Publication number: DE10202757B4
Application number: DE10202757.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Weinberger
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: DE10202757A1

Abstract

Antennenvorrichtung mit einer Antenne (10) zum Betrieb in zumindest einem Frequenzband, welches in zumindest zwei Teilfrequenzbänder untergliedert ist, wobei – die Antenne (10) für ein Nutzfrequenzband dimensioniert bzw. auf dieses abgestimmt ist, dessen Bandbreite Delta_f mit derjenigen eines der Teilfrequenzbänder im Wesentlichen übereinstimmt – und dass die Antenne (10) mit zumindest einem Senderzweig (12) und zumindest einem Empfängerzweig (14) über eine Sende/Empfangsweiche (19), welche zum Zusammenführen von Senderzweig (12) und Empfängerzweig (14) dient, verbindbar ist, – wobei eine Anpass-Schaltungsanordnung (16, 17, 18, 20, 25) sich zumindest zwischen Senderzweig (12) oder Empfängerzweig (14) und der Sende/Empfangsweiche (19, 20) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sende/Empfangsweiche (19, 20) wenigstens eine Frequenzweiche umfasst, um einen Simultanbetrieb oder Voll-Duplexbetrieb zur Anpassung der Antennenvorrichtung zum Senden und Empfangen zu realisieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung mit einer Antenne zum Betrieb in zumindest einem Frequenzband, das in zumindest zwei Teilfrequenzbereiche untergliedert ist.
Üblicherweise sind Kommunikationsgeräte, wie beispielsweise Mobilfunkendgeräte, darauf ausgerichtet, dass sie in mehreren Netzwerkumgebungen betrieben werden können. Ein Beispiel einer derartigen Netzwerkumgebung ist der unter dem Begriff GSM (Global System For Mobile Communications) laufende Standard. Ein Frequenzband um die 900 MHz ist dem sogenannten Standard-GSM oder GSM 900 zugeteilt, ein weiteres Frequenzband um die 1800 MHz ist dem DCS 1800 (Digital Communications System) zugeteilt. Neben diesen in Europa verwendeten Frequenzbändern sind andere Netzwerkumgebungen mit einem Frequenzband um 1900 MHz (GSM 1900) bzw. PCS 1900 (Personal Communications System) in Verwendung. Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird unter einem Frequenzband eine Auswahl von Frequenzen verstanden, welche durch eine Mittenfrequenz f_mit sowie einen zugehörigen Frequenzbereich Delta_f um diese Mittenfrequenz festgelegt ist. Bei dem Frequenzbereich wird im Folgenden auch von der Bandbreite gesprochen.
Es werden daher in derartigen Kommunikationsgeräten sogenannte Dual-Band-Antennen oder Multi-Band-Antennen verwendet, welche sich in mehreren Frequenzbändern betreiben lassen, um die Benutzung des Kommunikationsgeräts in verschiedenen Netzwerkumgebungen zu ermöglichen.
Bei FDD(Frequency Division Duplex)-Systemen sind die Frequenzbänder in Teilfrequenzbänder aufgeteilt, ein Sendefrequenzband und ein Empfangsfrequenzband.
Unter einem Teilfrequenzband wird ein Teil eines Frequenzbandes, beispielsweise das Sendefrequenzband bei 880–915 MHz im GSM 900 System verstanden. Bei den einzelnen Netzwerkumgebungen liegen folgende Frequenzaufteilungen vor: Bei GSM900 befindet sich das Sendefrequenzband wie gesagt zwischen 880 und 915 MHz, das Empfangsfrequenzband zwischen 925 bis 960 MHz. Bei GSM1800 liegt das Sendefrequenzband zwischen 1710 bis 1785 MHz, das Empfangsfrequenzband zwischen 1805 bis 1880 MHz. Bei dem in den USA verwendeten GSM1900-System werden Frequenzen zwischen 1850 bis 1910 MHz für das Sendefrequenzband sowie Frequenzen zwischen 1930 bis 1990 MHz für das Empfangsfrequenzband verwendet. Für das UMTS-System (Universal Mobile Telecommunication Standard) sind Sendefrequenzen zwischen 1920 bis 1980 MHz, sowie Empfangsfrequenzen zwischen 2110 bis 2170 MHz geplant. Die Frequenzbänder bzw. Teilfrequenzbänder sind weiterhin in einzelne Kanäle unterteilt, denen jeweils ein bestimmter Frequenzbereich, in GSM 900 beispielsweise 200 KHz, zugeteilt ist.
Um die entsprechenden Frequenzbänder abzudecken, weisen derartige Antennen bzw. Antennenvorrichtungen eine gewisse Nutzbandbreite auf, welche einen Frequenzbereich Delta_f etwa von der Breite der Frequenzbänder beträgt. Beispielsweise würde für GSM 900 der Frequenzbereich Delta_f = (960 – 880) MHz = 80 MHz betragen. Derzeit verwendete Antennen weisen deshalb auch eine Nutzbandbreite von etwa 80 MHz auf. Unter Nutzbandbreite wird ein Frequenzbereich Delta_f verstanden, in dem die Antenne effizient betreibbar ist, beispielsweise ihr Stehwellenverhältnis gut ist. Eine Anpassung an das Nutzfrequenzband, in welchem die Antenne effizient betreibbar ist, kann mit oder ohne eine Anpass-Schaltung erfolgen. Dabei ist als Anpassung generell die Einstellung eines gewünschten Impedanzverhaltens über der Frequenz zu sehen. Dieses bedeutet, dass diese einzustellende Impedanz vorzugsweise der konjugiert komplexen Impedanz der Zuführungsleitung an der Stelle der Ankopplung beziehungsweise dem Ort der Zusammenführung entspricht, also nicht zwingendermassen beispielsweise 50 Ohm. Diese einzustellende Impedanz kann auch für die einzelnen Zuführungsleitungen unterschiedlich sein.
In 1 wird dieser Zusammenhang zwischen Nutzbandbreite und verwendeten Frequenzbereichen näher erläutert.
Bei dieser erforderlichen Nutzbandbreite von z. B. 80 MHz ist das Volumen der Antenne in einem gewissen Bereich festgelegt, da die Bandbreite einer Antenne generell mit ihrem Volumen, insbesondere mit dem Abstand des Strahlers zur Massenfläche des Kommunikationsgerätes, korreliert.
Derzeit werden bei Kommunikationsgeräten überwiegend sogenannte Planar Inverted F-Antennas (PIFA) eingesetzt, bei denen dieser Abstand proportional zur Bandbreite der Antenne ist. Weiterhin stehen auch die Größe der Strukturen einer planaren invertierten F-Antenne PIFA in Zusammenhang mit ihrer Bandbreite. Somit kann das Volumen einer Antenne nicht beliebig verkleinert werden, ohne gleichzeitig an Nutzbandbreite einzubüßen und somit effektiv weniger Kanäle zur Verfügung zu haben, bei denen die Antenne gute Empfangs- bzw. Sendeeigenschaften aufweist.
Andererseits ist im Zuge der Miniaturisierung der Kommunikationsgeräte auch eine Verkleinerung der Antenne wünschenswert.
Die DE 100 24 483 A1 offenbart eine Antennenvorrichtung mit einer Anpass-Schaltungsanordnung, die ein Nutzfrequenzband der Antennenvorrichtung in ein Teilfrequenzband zu verschieben vermag.
Die DE 36 28 024 C2 offenbart eine schmalbandige Antennenvorrichtung mit einer Anpassschaltung für schnellen Frequenzwechsel, mittels der die Betriebsfrequenz der schmalbandigen Antennenvorrichtung um 5% geändert werden kann; was im Fall eines GSM900-Systems einem Duplexabstand von 45 MHz entspricht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakt gestaltbare Antennenvorrichtung anzugeben, mittels der die vorgegebenen Frequenzbereiche effizient genutzt werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kern der Erfindung ist es, dass die Bandbreite der Antenne nicht ein ganzes Frequenzband, bestehend aus einzelnen Teilfrequenzbändern, beispielsweise einem Sendefrequenzband und einem Empfangsfrequenzband, abdeckt, sondern lediglich ein Teilfrequenzband, also entweder das Sendefrequenzband oder das Empfangsfrequenzband. Um die Antenne in dem jeweils anderen Teilfrequenzbändern zu betreiben, wird das Nutzfrequenzband der Antenne mittels einer Anpass-Schaltungsanordnung zu anderen Frequenzen hin verschoben.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand einiger ausgewählter Beispiele genauer erläutert. Es zeigen
1 das schaltungstechnische Prinzip einer beispielhaften Antennenanordnung,
2 den Zusammenhang zwischen der Bandbreite und dem verwendeten Frequenzbereich für den Fall eines Dualband-Mobilfunkgerätes, und zwar in 2a gemäß dem Stand der Technik und in 2b gemäß einer Ausführung der Erfindung, sowie
3 bis 5 beispielhafte Ausführungen der Erfindung.
1 zeigt eine Antennenvorrichtung mit einer Antenne 10, einem Senderzweig 12 und einem Empfängerzweig 14. Der Senderzweig 12 wird über eine Antennen-Sender-Anpassungsschaltung 16, der Empfängerzweig 14 über eine Antennen-Empfänger-Anpassungsschaltung 18 an die Antenne 10 angepasst. Eine Sende-/Empfangsweiche 19 führt die beiden Zweige zur Antenne 10 hin zusammen.
Eine Impedanzanpassung im jeweiligen Sende- bzw. Empfangsfrequenzbereich erfolgt über die Antennen-Sender-Anpassungsschaltung 16 bzw. die Antennen-Empfänger-Anpassungsschaltung 18. Damit wird das Nutzband der Antenne auf den aktuell verwendeten Frequenzbereich abgestimmt. Der Frequenzbereich wird beispielsweise festgelegt durch eine Mittenfrequenz f_mit und eine Breite Delta_f um diese Mittenfrequenz f_mit. Die Steuerung einer Anpassungsschaltung erfolgt beispielsweise elektronisch.
In 2 ist das Anpassungsverhalten S₁₁, ein Maß für den Wirkungsgrad der Antenne, gegenüber der Frequenz aufgetragen. Der Wirkungsgrad wird definiert über das Verhältnis der von der Antenne abgestrahlten Leistung zu der in die Antenne eingespeisten Leistung. Eine gute Anpassung der Impedanzen liegt bei den im Stand der Technik verwendeten Antennen, wie in 2a gezeigt, beispielsweise in den Frequenzbändern des GSM 900 sowie des DCS 1800 vor. Typischerweise wird eine Anpassung von 6 dB, was einem Stehwellenverhältnis von 3.0 entspricht, als ausreichend erachtet.
Die Antenne, deren Frequenzverhalten in 2a gezeigt ist, ist also derart angepasst, dass eine effektive Nutzung in den gesamten Frequenzbändern, das heisst sowohl im Sende- als auch im Empfangsfrequenzbereich, möglich ist. Für eine Antenne, die beispielsweise das gesamte GSM900 Band bedienen kann, ist eine Bandbreite von 80 MHz nötig, was etwa 80/900 = 9% relativer Bandbreite entspricht. Wie bereits eingangs ausgeführt, korreliert das Volumen einer Antenne mit ihrer Bandbreite und ist insbesondere bei Planaren Inverted F-Antennen (PIFA) proportional zur Bandbreite der Antenne. Eine Reduktion der Nutzbandbreite kann somit zu einer Reduktion des Volumens führen. Allerdings sind der erwünschten Volumensverkleinerung gewisse Grenzen gesetzt, wenn eine bestimmte Nutzbandbreite Delta_f aufrecht erhalten werden soll, um damit eine gewisse Anzahl von Kanälen zur Verfügung zu haben.
In 2b ist der Zusammenhang zwischen dem Anpassungsverhalten der Antenne gegenüber der Frequenz ebenfalls für den Fall eines Dualband-Mobilfunkendgerätes dargestellt. Die hier verwendete Antenne ist jedoch im Vergleich zu dem in 2a gezeigten Beispiel schmalbandiger: Wie die strichgepunktete Linie zeigt, fällt die Bandbreite der Antenne in einem ersten Fall mit dem Sendefrequenzband TX des GSM900 beziehungsweise des DCS 1800 zusammen. Durch eine geeignete Anpass-Schaltung wird die Nutzbandbreite verschoben, das heisst ihre Mittenfrequenz f_mit wird zu anderen Frequenzen verlagert, die Breite Delta_f bleibt näherungsweise gleich. Die Verschiebung erfolgt hier in die respektiven Empfangsfrequenzbereiche RX, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet.
In diesem Falle ist die Nutzbandbreite Delta_f der Antenne gegenüber dem in 2a gezeigten Fall verkleinert, wodurch auch die Antenne kleiner gestaltet werden kann. Die Verschiebung der schmalen Nutzbandbreite von den respektiven Sendefrequenzbändern TX in die respektiven Empfangsfrequenzbänder RX, kann beispielsweise über entsprechende Anpass-Schaltungen, die Antennen-Sender-Anpass-Schaltung 16, sowie die Antennen-Empfänger-Anpass-Schaltung 18 (siehe 1) realisiert werden.
In 3 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der lediglich eine Anpass-Schaltung verwendet wird. Diese befindet sich beispielsweise im Empfängerzweig. Im Vergleich zu 1 fehlt also in 3 lediglich die Antennen-Sender-Anpass-Schaltung 16, alle anderen Bezugszeichen verweisen auf entsprechende Einheiten. Dies ist dadurch möglich, dass in diesem Fall die Antenne bereits in ihrer Grundeinstellung einen der Teilfrequenzbereiche abdeckt, und nur eine Anpass-Schaltung zur Abdeckung des zweiten Teilfrequenzbereiches benötigt. Der Ziehbereich der dabei eingesetzten Anpass-Schaltung muss dabei entsprechend größer sein als im Fall gemäss 1. Es kann dadurch aber eine Anpass-Schaltung eingespart werden. Da üblicherweise eine derartige Anpass-Schaltung leichte Verluste aufweist, kann mit einer derartigen Anordnung ein empfindlicherer Zweig weniger beeinträchtigt werden.
In den 4a und 4b sind weitere Ausgestaltungen zu sehen. In 4a liegt wiederum ein Senderzweig 12, sowie ein Empfängerzweig 14 vor. Beide Zweige werden über eine Sende-/Empfangsweiche 20, in welche auch eine oder mehrere Anpass-Schaltungen integriert sind, zur Antenne 10 hin zusammengeführt. In diesem Fall kann also die Anpassung der beiden Zweige über eine Anpass-Schaltung erfolgen. Zwischen der Sende-/Empfangsweiche mit integrierter Anpass-Schaltung 20 und der Antenne 10 befindet sich optional noch ein Antennen-Stecker 21 zum Anschluss einer externen Antenne.
In 4b werden der Senderzweig 12 und der Empfängerzweig 14 ebenfalls über eine Sende-/Empfangsweiche 19 zur Antenne 10 hin zusammengeführt. Zwischen Antenne 10 und Sende-/Empfangsweiche 19 befindet sich eine aktive Anpass-Schaltung 22. Diese nutzt Informationen über den aktuell aktiven Kanal zur Einstellung der Anpass-Schaltung. Zusätzlich können auch noch Informationen bezüglich der verwendeten Frequenz benutzt werden. Ebenso wie in 4a ist auch hier optional ein Antennen-Stecker 21 für eine externe Antenne vorgesehen. Die Information bezüglich des aktuell aktiven Kanals beziehungsweise bezüglich der Frequenz werden über entsprechende Eingänge 23, 24 für den verwendeten Kanal einerseits beziehungsweise für die optionale Frequenzinformation andererseits an das aktive Anpassnetzwerk 22 geleitet. Mit dieser Anordnung lässt sich allerdings gleichzeitig nur ein Frequenzbereich einstellen. Flexibler wäre die Anordnung, wenn die Anpass-Schaltungen gemäss 1 bzw. 5 als aktive Anpass-Schaltungen ausgeführt werden. Die dabei erreichbaren Reduzierungen der Antennendimensionen wären dabei noch größer, weil die dabei nötige aktive Nutzbandbreite nur der aktuellen Kanalanforderungen (z. B. 200 kHz bei GSM-System) entsprechen müsste.
Eine Sende-/Empfangsweiche kann je nach Funkdienst-Anwendung aus einer Frequenzweiche bestehen. Weiterhin kann die Sende-/Empfangsweiche auch aus einer Kombination einer oder mehrerer Frequenzweichen bestehen.
Die dieser Erfindung zugrundliegende Idee ist unter Berücksichtigung einiger Besonderheiten für eine Frequenzweiche einsetzbar. Es ist darauf zu achten, dass für die gesamte Anordnung aus ein oder mehreren Anpassungs-Schaltungen, Frequenzweiche, Antennenzuleitung und Antenne, ein oder mehrere geforderte Frequenzverhalten eingestellt werden.
Es lässt sich ein Simultanbetrieb oder Voll-Duplexbetrieb durch Verwendung einer Frequenzweiche als Sende-/Empfangsweiche realisieren, in die eine oder mehrere Anpassschaltungen integriert sind.
In 5 ist eine Ausgestaltung zu sehen, bei der mehrere Senderzweige 12 beziehungsweise 13, sowie mehrere Empfängerzweige 14 beziehungsweise 15 vorliegen. Durch entsprechende Antennen-Sender-Anpass-Schaltungen 16 beziehungsweise 17; sowie entsprechende Antennen-Empfänger-Anpass-Schaltungen 18 beziehungsweise 25, erfolgt die Impedanzanpassung der Antenne 10 an den jeweilig verwendeten Frequenzbereich. Mittels einer Sende-/Empfangsweiche 19 werden die jeweiligen Zweige zur Antenne 10 hin zusammengeführt. Diese Anordnung stellt eine alternative/neue Möglichkeit zur Kombination der Schaltungsteile von verschiedenen Funkdiensten dar. Die Sende-/Empfangsweiche kann dabei eine Frequenzweiche oder eine Kombination aus Frequenzweiche und Umschalteinheit sein.
Bezugszeichenliste

10: Antenne
12: Senderzweig
13: Zweiter Senderzweig
14: Empfängerzweig
16: Antennen-Sender-Anpass-Schaltung
17: Zweite Antennen-Sender-Anpass-Schaltung
18: Antennen-Empfänger-Anpass-Schaltung
19: Sende-/Empfangsweiche
20: Sende-/Empfangsweiche mit integrierter Anpass-Schaltung
21: Antennen-Stecker für externe Antenne
22: Aktives Anpassnetzwerk
23: Eingabekanal für Kanalinformation
24: Eingabekanal für Frequenzinformation
25: Zweite Empfänger-Sender-Anpass-Schaltung

Claims

Antennenvorrichtung mit einer Antenne (10) zum Betrieb in zumindest einem Frequenzband, welches in zumindest zwei Teilfrequenzbänder untergliedert ist, wobei – die Antenne (10) für ein Nutzfrequenzband dimensioniert bzw. auf dieses abgestimmt ist, dessen Bandbreite Delta_f mit derjenigen eines der Teilfrequenzbänder im Wesentlichen übereinstimmt – und dass die Antenne (10) mit zumindest einem Senderzweig (12) und zumindest einem Empfängerzweig (14) über eine Sende/Empfangsweiche (19), welche zum Zusammenführen von Senderzweig (12) und Empfängerzweig (14) dient, verbindbar ist, – wobei eine Anpass-Schaltungsanordnung (16, 17, 18, 20, 25) sich zumindest zwischen Senderzweig (12) oder Empfängerzweig (14) und der Sende/Empfangsweiche (19, 20) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sende/Empfangsweiche (19, 20) wenigstens eine Frequenzweiche umfasst, um einen Simultanbetrieb oder Voll-Duplexbetrieb zur Anpassung der Antennenvorrichtung zum Senden und Empfangen zu realisieren.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Anpass-Schaltungsanordnung (16, 17, 18, 20, 25) eine Antennen-Sender-Anpassschaltung (16, 17) im Senderzweig (12) und eine Antennen-Empfänger-Anpass-Schaltung (18, 25) im Empfängerzweig (14) aufweist, sodass sich das Nutzfrequenzband der Antenne (10) für den Senderzweig (12) und den Empfängerzweig (14) einstellen lässt.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – sie zum Betrieb in zumindest zwei Frequenzbändern ausgelegt ist, in denen die Antenne je ein Nutzfrequenzband aufweist und – die Anpass-Schaltungsanordnung derart ausgestaltet ist, dass die Nutzbandfrequenzbereiche in den jeweiligen Frequenzbändern gemeinsam verschiebbar sind.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mittels der Sende/Empfangsweiche (19) der Sendezweig (12) und der Empfangszweig (14) auf eine Leitung zusammengeführt wird und diese Leitung zur Antenne (10) weiterführt.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 4, bei dem eine oder mehrere Anpass-Schaltungsanordnungen (16, 17, 18, 20, 22, 25) in die Sende-/Empfangsweiche integrierbar sind.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Teilfrequenzbereich dem Sendefrequenzbereich TX und ein anderer Teilfrequenzbereich dem Empfangsfrequenzbereich RX entspricht.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der Schaltungsanordnung (16, 17, 18, 20, 25) ein externes Signal anlegbar ist, welches Informationen über den aktuell verwendeten Frequenzbereich enthält.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Teilfrequenzband des Frequenzbandes als Sendefrequenzband und das andere Teilfrequenzband als Empfangsfrequenzband vorgesehen sind und dass – die Antenne auf einen Teilbereich des Frequenzbandes abgestimmt ist, welcher entweder dem Sendefrequenzband oder dem Empfangsfrequenzband entspricht, – und die Antenne mittels einer Anpass-Schaltung auf den anderen Bereich des Frequenzbandes verstimmbar ist.